DE102009049051A1

DE102009049051A1 - Halbleitervorrichtung mit IGBT und FWD auf demselben Substrat

Info

Publication number: DE102009049051A1
Application number: DE102009049051A
Authority: DE
Inventors: Kenji Kariya Kouno
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: JP2010118642A; JP4840482B2; DE102009049051B4; US8299539B2; US20100090248A1; CN101728386B; CN101728386A

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist auf: ein Halbleitersubstrat (10); ein IGBT-Element (12, 15, 18) mit einem Kollektorbereich (18); ein FWD-Element (13, 14b, 19) mit einem Kathodenbereich (19) benachbart zum Kollektorbereich; eine Basisschicht (11) auf dem Substrat; und mehrere Graben-Gate-Strukturen (12) mit einer Gate-Elektrode (12). Die Basisschicht wird durch die Graben-Gate-Strukturen in mehrere erste und zweite Bereiche unterteilt. Jeder erste Bereich (13) weist einen Emitterbereich (15) auf, der an die Gate-Elektrode grenzt. Jeder erste Bereich ist zusammen mit dem Emitterbereich elektrisch mit einer Emitter-Elektrode (17) verbunden. Die ersten Bereiche weisen kollektorseitige und kathodenseitige erste Bereiche auf, und die zweiten Bereiche weisen kollektorseitige und kathodenseitige zweite Bereiche (14a, 14b) auf. Wenigstens ein Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs ist elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden, und wenigstens ein Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs weist ein schwebendes Potential auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem IGBT und einer FWD, die auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet sind.
Die JP-2005-317751 , welche der US 2005/0258493 entspricht, offenbart beispielsweise eine rückwärts leitende Halbleitervorrichtung (d. h. einen RC-IGBT oder einen rückwärts leitenden IGBT), die einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und eine FWD (Freilaufdiode) aufweist, die in demselben Halbleitersubstrat angeordnet sind, so dass die FWD im IGBT integriert ist.
Bei dem RC-IGBT sind eine Anodenelektrode der FWD und eine Emitter-Elektrode des IGBT zusammen und eine Kathodenelektrode der FWD und eine Kollektorelektrode des IGBT zusammen. Der RC-IGBT ist derart in einer Inverterschaltung verschaltet, dass er eine PWM-Steuerung einer Last ausführt.
Wenn der RC-IGBT jedoch in der Inverterschaltung verschaltet ist, ist ein an die Gate-Elektrode des IGBT zu legendes Ansteuersignal für gewöhnlich ein Phasenumkehrsignal in einer Aufwärts-Abwärts-Arm-Richtung. Folglich wird das Ansteuersignal selbst dann, wenn die FWD eine Freilauffunktion ausführt, an die Gate-Elektrode des IGBT gegeben. Dies führt dazu, dass die FWD und der IGBT gleichzeitig arbeiten.
Wenn die FWD und der IGBT gleichzeitig arbeiten, d. h., wenn das Gate des IGBT dann einschaltet, wenn die FWD arbeitet, wird das elektrische Potential der Anode gleich dem elektrischen Potential der Kathode der FWD gesetzt, da die obigen Elektroden zusammengelegt sind. Dies führt dazu, dass die FWD eine Durchlassfunktion kaum ausführt. Folglich steigt dann, wenn das Ansteuersignal an die Gate-Elektrode des IGBT gegeben wird, eine Durchlassspannung Vf der FWD, so dass ein DC-Verlust der Halbleitervorrichtung einen hohen Wert annimmt.
Um das obige Problem zu vermeiden, werden ein Bereich des IGBT und ein Bereich der FWD voneinander getrennt. Solch eine Vorrichtungsstruktur wird beispielsweise in der Veröffentlichung „Proceedings of 2004 International Symposium an Power Semiconductor Devices & Ics" auf den Seiten 261 bis 264 beschrieben. Die Gate-Elektrode des IGBT ist nicht im Bereich der FWD angeordnet, so dass die FWD als eine Body-Diode nicht im IGBT integriert ist. Der Bereich der FWD, welche die Diodenfunktion und nicht die IGBT-Funktion bereitstellt, nimmt jedoch zu. Folglich wird der Bereich des IGBT bei gleicher Chipgröße der Vorrichtung schmal. D. h., ein Belegungsgrad des Bereichs des IGBT im Chip wird verringert, da der FWD-Einzweckbereich im Chip angeordnet ist. In diesem Fall steigen eine Durchlassspannung Von des IGBT und der DC-Verlust der Halbleitervorrichtung. Ferner nehmen dann, wenn die Durchlassspannung Von des IGBT derart festgelegt ist, dass sie einen geringen Wert aufweist, die Abmessungen des Chips zu.
Es ist angesichts des vorstehend beschriebenen Problems Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die einen IGBT und eine FWD aufweist, die auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet sind. Bei der Vorrichtung werden eine Chipgröße der Vorrichtung und eine Durchlassspannung der FWD und eine Durchlassspannung des IGBT verbessert.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung auf: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten und einer zweiten Seite; ein IGBT-Element für einen Stromfluss in einer Dickenrichtung des Substrats, wobei das IGBT-Element im Substrat angeordnet ist, der IGBT einen Kollektorbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und der Kollektorbereich in einem Oberflächenabschnitt der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist; ein FWD-Element mit einem Kathodenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kathodenbereich derart in einem anderen Oberflächenabschnitt der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, dass der Kathodenbereich entlang einer parallelen Richtung des Substrats benachbart zum Kollektorbereich angeordnet ist; eine Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Seite des Substrats angeordnet ist; mehreren Graben-Gate-Strukturen, von denen jede einen Graben auf der ersten Seite des Substrats und über einen Isolierfilm einen leitfähigen Film im Graben aufweist. Die Basisschicht wird durch die Graben-Gate-Strukturen in mehrere erste und zweite Bereiche unterteilt. Die Graben-Gate-Strukturen weisen eine Gate-Elektrode im IGBT-Element auf. Jeder erste Bereich weist einen Emitterbereich im IGBT-Element auf. Jeder Emitterbereich ist in einem Oberflächenabschnitt des ersten Bereichs angeordnet, grenzt an die Gate-Elektrode, weist den ersten Leitfähigkeitstyp auf und weist eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat auf. Jeder zweite Bereich weist den Emitterbereich nicht auf. Jeder erste Bereich ist zusammen mit dem Emitterbereich elektrisch mit einer Emitter-Elektrode im IGBT-Element verbunden. Die ersten Bereiche weisen einen kollektorseitigen ersten Bereich und einen kathodenseitigen ersten Bereich auf. Der kollektorseitige erste Bereich ist oberhalb des Kollektorbereichs und der kathodenseitige erste Bereich oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet. Die zweiten Bereiche weisen einen kollektorseitigen zweiten Bereich und einen kathodenseitigen zweiten Bereich auf. Der kollektorseitige zweite Bereich ist oberhalb des Kollektorbereichs und der kathodenseitige zweite Bereich oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet. Wenigstens ein Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs ist elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden. Wenigstens ein Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs weist ein schwebendes Potential auf.
Bei der obigen Vorrichtung dienen mehrere erste Bereiche oberhalb des Kollektorbereichs und des Kathodenbereichs als ein Kanal des IGBT-Elements und eine Anode des FWD-Elements. Folglich ist ein Teil des FWD-Elements im IGBT-Element integriert. Dies führt dazu, dass dann, wenn die Durchlassspannung des IGBT derart eingestellt wird, dass sie eine vorbestimmte Spannung aufweist, die Abmessungen der Vorrichtung verringert werden.
Ferner ist der Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden. Folglich dient der Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs zusammen mit den ersten Bereichen als eine Anode des FWD-Elements. Folglich wird die als die Anode dienende Fläche groß. Ferner wird ein Strompfad der FWD verkürzt. Ferner weisen der zweite Bereich und das Substrat selbst dann nicht das gleiche Potential auf, wenn das Ansteuersignal an die Gate-Elektrode gegeben wird, da der Emitter-Bereich des IGBT im zweiten Bereich nicht vorhanden ist. Folglich wird der zweite Bereich nicht durch den Einfluss der Gate-Elektrode beeinflusst. Dies führt dazu, dass die Durchlassspannung der FWD verringert wird.
Ferner wandern Löcher selbst dann nicht über den zweiten Bereich zur Emitter-Elektrode zurück, wenn das Ansteuersignal derart an die Gate-Elektrode gegeben wird, dass der Kanal unterhalb des Emitter-Bereichs im ersten Bereich gebildet wird, da der Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs ein schwebendes Potential aufweist. Folglich wird das Loch im Substrat angesammelt. Da die ersten Bereiche nicht nur oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind, sondern ebenso oberhalb des Kollektorbereichs, wird die Fläche des IGBT-Elements groß. Folglich wird die Durchlassspannung des IGBT-Elements verringert.
Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
1 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht einer Vorderseite einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht einer Rückseite der Halbleitervorrichtung;
3 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht der Vorrichtung entlang der Linie III-III in der 2;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem Breitenverhältnis zwischen einem Kollektorbereich und einem Kathodenbereich, einer Durchlassspannung Von eines IGBT und einer Durchlassspannung Vf einer FWD;
5 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
7 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
8 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
9 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
10 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform;
11 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform;
12 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform;
13 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Modifikation der achten Ausführungsform;
14 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform;
15 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht einer Rückseite der in der 14 gezeigten Halbleitervorrichtung;
16 einen Schaltplan zur Veranschaulichung einer Rückkopplungsschaltung mit der in den 14 und 15 gezeigten Halbleitervorrichtung;
17 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einer Potentialdifferenz Vs von beiden Enden eines Messwiderstands und einer Ausgangsspannung eines Rückkopplungsabschnitts;
18 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem durch die FWD fließenden Strom und der Potentialdifferenz Vs;
19 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht einer Rückseite einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Modifikation der neunten Ausführungsform;
20 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht einer Vorderseite einer Halbleitervorrichtung gemäß der Modifikation der neunten Ausführungsform;
21A ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Potentialdifferenz Vs und dem durch die FWD fließenden Strom gemäß einer zehnten Ausführungsform und 21B ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Potentialdifferenz Vs und dem durch die FWD fließenden Strom gemäß einem Vergleichsbeispiel;
22 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Potentialdifferenz Vs und einem Ausgang des Rückkopplungsabschnitts;
23 einen Schaltplan zur Veranschaulichung einer Rückkopplungsschaltung mit der Halbleitervorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform;
24 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen;
25 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen;
26 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen;
27 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen;
28 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen;
29 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen;
30 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen; und
31 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
(Erste Ausführungsform)
Die 1 bis 3 zeigen eine Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. In der 2 ist eine Kollektor-Elektrode der Vorrichtung nicht gezeigt.
Die Halbleitervorrichtung wird in geeigneter Weise für eine Leistungsschaltvorrichtung in einem Invertermodul eines EHV (Elektro- und Hybridfahrzeug) verwendet. Eine Dickenrichtung eines Halbleitersubstrats verläuft in diesem Fall senkrecht zum Substrat, und eine Richtung senkrecht zur Dickenrichtung ist als parallele Richtung des Substrats definiert. Die parallele Richtung verläuft parallel zu einer Richtung einer Anordnung eines Kollektorbereichs und eines Kathodenbereichs. Ein n-Leitfähigkeitstyp ist beispielsweise ein erster Leitfähigkeitstyp und ein p-Leitfähigkeitstyp ein zweiter Leitfähigkeitstyp. Alternativ kann der erste Leitfähigkeitstyp der p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp der n-Leitfähigkeitstyp sein.
Die in den 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung weist ein Halbleitersubstrat 10 des ersten Leitfähigkeitstyps auf. Das Substrat 10 weist einen Bereich 30 auf, in dem ein IGBT und eine FWD gebildet sind. Ein Schutzring 31a, der als Unterdrückungsabschnitt für eine Konzentration eines elektrischen Feldes dient, ist in einem Umfangsbereich 31 des Substrats 10 angeordnet. Der Schutzring 31a umgibt den Bereich 30. In der 1 weist der Schutzring 31a eine Dreischichtstruktur auf. Alternativ kann der Schutzring 31a eine einschichtige, zweischichtige, vierschichtige oder mehrschichtige Struktur einer höheren Anzahl aufweisen. Eine Gate-Kontaktstelle 32 gibt ein Ansteuersignal an eine Gate-Elektrode 12.
Nachstehend wird der Bereich 30 beschrieben. Das Substrat 10 ist aus einem n^–-leitenden einkristallinen massiven (bulky) Silizium mit einer Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁴ cm^–3 aufgebaut. Eine p-leitende Basisschicht 11 als p-Wanne ist in einem Oberflächenabschnitt des Substrats 10 gebildet.
Ein Graben als Nut ist derart gezielt in der Basisschicht 11 gebildet, dass der Graben durch die Basisschicht 11 dringt, wobei ein Boden des Grabens an das Substrat 10 grenzt. Ein Isolierfilm (nicht gezeigt) ist auf einer Innenwand des Grabens gebildet. Ein polykristalliner Siliziumfilm ist über den Isolierfilm in den Graben gefüllt. Der polykristalline Siliziumfilms weist eine Störstellenkonzentration von 1 × 10²⁰ cm^–3 auf. Der polykristalline Siliziumfilm bildet die Gate-Elektrode 12. Die Vorrichtung 100 weist mehrere Gate-Elektroden 12 auf, die über eine Signalleitung 16 als eine Gate-Verdrahtung miteinander verbunden sind. Das Ansteuersignal wird von der Gate-Kontaktstelle 32 über die Signalleitung 16 derart an jede Gate-Elektrode 12 gegeben, dass eine vorbestimmte Spannung an jede Gate-Elektrode 12 gelegt wird. Folglich weisen die Gate-Elektroden 12 das gleiche elektrische Potential auf. Jede Gate-Elektrode 12 erstreckt sich derart entlang einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung und der parallelen Richtung, dass sich die Gate-Elektrode 12 über die Basisschicht 12 erstreckt. Folglich sind die Gate-Elektroden 12 derart parallel zueinander entlang der parallelen Richtung angeordnet, dass die Anordnung der Gate-Elektroden 12 einem Streifenmuster entspricht. Die Basisschicht 11 wird durch die Gate-Elektroden 12 in mehrere erste und zweite Bereiche 13, 14 unterteilt, die elektrisch voneinander getrennt sind. Die ersten und die zweiten Bereiche 13, 14 sind entlang der parallelen Richtung parallel zueinander angeordnet. Die Gate-Elektroden 12 weisen mehrere Paare von Gate-Elektroden 12 auf. Der erste Bereich 13 ist zwischen einem Paar von Gate- Elektroden 12 angeordnet, und der zweite Bereich 14 ist zwischen einem Paar und einem benachbarten Paar angeordnet.
Der Emitter-Bereich 15 ist gezielt in einem Oberflächenabschnitt des ersten Bereichs 13 gebildet. Der Emitter-Bereich 15 grenzt über den Isolierfilm im Graben an eine Seitenwand der Gate-Elektrode 12. Der Emitter-Bereich 15 ist n⁺-leitend mit einer hohen Störstellenkonzentration. Der Emitter-Bereich 15 weist eine Dicke von 0,5 Mikrometern und eine Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁹ cm^–3 auf. Auf allen ersten Bereichen 13 ist eine Emitter-Elektrode 17 gebildet. Die Emitter-Elektrode 17 ist aus einem Material der Aluminiumreihe gebildet. Die p-leitende Basisschicht 11 und der n-leitende Emitter-Bereich 15 im ersten Bereich 13 sind elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. Folglich dient der erste Bereich 13 als Kanalbereich für den IGBT. Ferner dient der erste Bereich 13 als Anodenbereich für die FWD. Folglich dient die Emitter-Elektrode 17 als die Emitter-Elektrode des IGBT und die Anodenelektrode der FWD.
In einem Oberflächenabschnitt des zweiten Bereichs 14 ist ein n-leitender Bereich mit keiner hohen Störstellenkonzentration, wie beispielsweise der Emitter-Bereich 15, angeordnet. Die zweiten Bereiche 14 weisen mehrere kollektorseitige zweite Bereiche 14a und kathodenseitige zweite Bereiche 14b auf. Die kollektorseitigen zweiten Bereiche 14a sind in der Dickenrichtung direkt oberhalb eines Kollektorbereichs 18 angeordnet. Alle der kollektorseitigen zweiten Bereiche 14a sind derart nicht mit der Gate-Elektrode 12 und der Emitter-Elektrode 17 verbunden, so dass die kollektorseitigen zweiten Bereiche 14a ein schwebendes Potential aufweisen. Die kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b sind direkt oberhalb eines Kathodenbereichs 19 angeordnet. Alle der kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b sind elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. Folglich sind alle der ersten Bereiche 13, einschließlich der Emitter-Bereiche 15, und alle der kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b derart mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden, dass die ersten Bereiche 13 und die kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b das gleiche elektrische Potential aufweisen. Folglich dienen alle der kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b als der Anodenbereich der FWD. Die Emitter-Elektrode 17 dient als die Anodenelektrode der FWD bezüglich des kathodenseitigen zweiten Bereichs 14b. In der 3 bildet eine linke Seite der Zeichnung von einer gestrichelten Linie einen Bereich mit dem Kollektorbereich 18 und eine rechte Seite der Zeichnung von der gestrichelten Linie einen Bereich mit dem Kathodenbereich 19.
Die ersten Bereiche 13 und die zweiten Bereiche 14 sind, wie in 3 gezeigt, abwechselnd parallel zueinander angeordnet. Eine Breite des zweiten Bereichs 14 in der parallelen Richtung ist größer als eine Breite des ersten Bereichs 13. Paare von Gate-Elektroden 12 werden periodisch entlang der parallelen Richtung zu vorbestimmen Intervallen wiederholt. Ein Kontaktbereich (nicht gezeigt) ist gezielt in einem Oberflächenbereich in der Basisschicht 11 mit dem ersten Bereich 13 und dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b, die elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden sind, gebildet. Der Kanalbereich weist eine Dicke von 0,8 Mikrometern und eine Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁹ cm^–3 auf. Der Kanalbereich ist p⁺-leitend.
Der p⁺-leitende Kollektorbereich 18 ist in einem Oberflächenabschnitt des Substrats 10 auf einer Rückseite des Substrats 10 gebildet. Der Kollektorbereich 18 weist eine Dicke von 0,5 Mikrometern und eine Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Der Kathodenbereich 14 ist benachbart zum Kollektorbereich 18 entlang der parallelen Richtung angeordnet. Der Kathodenbereich 19 ist n⁺-leitend. Der Kathodenbereich 19 weist eine Dicke von 0,5 Mikrometern und eine Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf.
Die Kollektorbereiche 18 mit der Breite Wp und die Kathodenbereiche 19 mit der Breite Wn sind, wie in 2 gezeigt, abwechselnd entlang der parallelen Richtung angeordnet. Folglich sind mehrere Kathodenbereiche 19 zu Intervallen von Wb entlang der parallelen Richtung angeordnet und bildet ein restlicher Bereich des Substrats 10 den Kollektorbereich 18. Ein Verhältnis zwischen der Breite Wp und der Breite Wn ist als Wp/Wn definiert, das in der 2 ein Drittel beträgt. Der Kollektorbereich 18 und der Kathodenbereich 19 sind elektrisch mit der Kollektor-Elektrode 20 verbunden, die aus einem Material der Aluminiumreihe aufgebaut ist. Folglich sind die Kathoden-Elektrode der FWD und die Kollektor-Elektrode 20 des IGBT zusammen. In der 2 ist einer der Kathodenbereiche 19 kürzer als die anderen Kathodenbereiche 19. Dies liegt daran, dass die Basisschicht 11 als die p-Wanne auf der Oberflächenseite des Substrats 10 gebildet ist, um die Gate-Kontaktstelle 32 auszusparen.
Ein n-leitende Feldstoppschicht 21 ist, wie in 3 gezeigt, in der Dickenrichtung zwischen dem Substrat 10 und dem Kollektorbereich 18 oder dem Kathodenbereich 19 gebildet. Die Feldstoppschicht 21 weist eine Störstellenkonzentration auf, die über der des Substrats und unter der des Emitter-Bereichs 15 liegt. Bei der Vorrichtung 100 mit dem IGBT mit der Graben-Gate-Elektrode 12 kann eine Dicke des Substrats verglichen mit anderen Grabenstrukturen, wie beispielsweise einer Punch-Through-Grabenstruktur und einer Non-Punch-Through-Grabenstruktur, verringert werden, da die Vorrichtung 100 die Feldstoppschicht 21 zum Blocken einer Sperrschicht aufweist. Folglich werden überschüssige Ladungsträger reduziert und ist eine restliche Breite eines neutralen Bereichs gering, wenn sich die Sperrschicht maximal ausdehnt. Folglich wird ein SW-Verlust (d. h. AC-Verlust) des IGBT verringert. Hierbei wird ist die Dicke von der Oberfläche der Basisschicht 11 zur Oberfläche des Kollektorbereichs 18 auf 130 Mikrometer festgelegt.
Die Halbleitervorrichtung 100 kann mit Hilfe eines herkömmlichen Halbleiterprozesses gefertigt werden.
Nachstehend wird der Betrieb des IGBT beschrieben. Zwischen die Emitter-Elektrode 17 und die Kollektor-Elektrode 20 wird eine vorbestimmte Kollektorspannung gelegt, und zwischen die Emitter-Elektrode 17 und die Gate-Elektrode 12 wird eine Gate-Spannung gelegt, derart, dass ein Gate der Vorrichtung einschaltet. Anschließend wird ein n-leitender Kanal im ersten Bereich 13 mit dem darauf gebildeten Emitter-Bereich 15 gebildet. Elektronen werden von der Emitter-Elektrode 17 über den Kanal in das Substrat 10 injiziert. Die injizierten Elektronen bilden einen Durchlassspannungszustand im Kollektorbereich 18 und im Substrat 10. Folglich wird ein Loch vom Kollektorbereich 18 injiziert, so dass der Widerstand des Substrats 10 deutlich verringert wird. Die Strombelastbarkeit des IGBT nimmt zu. Zu diesem Zeitpunkt dient nur der erste Bereich 13 in der Basisschicht 11 mit dem Emitter-Bereich 15 im Oberflächenabschnitt des ersten Bereichs 13 als der IGBT. Der zweite Bereich 14 dient nicht als der IGBT. Ferner wird der Kanal, der in n-leitend geworden ist, dann, wenn die Gate-Spannung zwischen der Emitter-Elektrode 17 und der Gate-Elektrode 12 derart eingestellt wird, dass sie Null oder eine Sperrvorspannung ist, d. h. wenn das Gate der Vorrichtung 100 ausschaltet, wieder p-leitend. Folglich stoppt die Elektroneninjektion von der Emitter-Elektrode 17. Zusammen mit dem Injektionsstopp stoppt die Lochinjektion vom Kollektorbereich 18. Anschließend werden die Ladungsträger, einschließlich der Elektronen und der Löcher, die sich im Substrat 10 angesammelt haben, aus der Emitter-Elektrode 17 bzw. der Kollektor-Elektrode 20 entladen, oder werden die Elektronen und die Löcher derart neu kombiniert, dass sie verschwinden.
Nachstehend wird der Betrieb der FWD beschrieben. Die Emitter-Elektrode 17 und die Anodenelektrode sind zusammen, so dass der kathodenseitige zweite Bereich 14b direkt oberhalb des Kathodenbereichs 19 als der Anodenbereich der FWD dient. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b ist ein Teil der Basisschicht 11, die elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist. Die Anodenspannung als die Durchlassspannung wird zwischen die Emitter-Elektrode 17 und das Substrat 10 gelegt. Wenn die Anodenspannung die Schwellenwertspannung überschreitet, werden der Anodenbereich und das Substrat 10 derart in Durchlassrichtung vorgespannt, dass die FWD Strom führt, d. h. dass die FWD leitend geschaltet ist. Insbesondere führt die FWD zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich 19 mit dem Substrat 10 dann, wenn die Kollektorspannung, die durch in einer Last L angesammelte Energie hervorgerufen wird, an den IGBT gelegt wird, derart Strom, dass der Strom durch die FWD fließt. Wenn die Sperrvorspannung zwischen die Emitter-Elektrode 17 und das Substrat 10 gelegt wird, dehnt sich die Sperrschicht vom Anodenbereich zum Substrat 10 aus, so dass die Sperrdurchbruchspannung aufrechterhalten wird.
Bei der Vorrichtung 100 dienen alle der ersten Bereiche 13 in der Basisschicht 11 mit dem ersten Bereich 13 oberhalb des Kollektorbereichs 18 und der Kathodenbereich 19 als der Kanalbereich des IGBT. Ferner dienen alle der ersten Bereiche 13 als der Anodenbereich der FWD. Folglich ist ein Teil der FWD im IGBT integriert. Demgemäß werden dann, wenn die Durchlassspannung Von des IGBT derart eingestellt wird, dass sie eine vorbestimmte Spannung aufweist, die Abmessungen der Vorrichtung verbessert. Insbesondere können die Abmessungen der Vorrichtung 100 größer als in einem Fall sein, in dem alle der Bereiche, die von der Basisschicht 11 geteilt sind, den ersten Bereich 13 bilden, jedoch kleiner als in einem Fall sein, in welchem der IGBT und die FWD derart voneinander getrennt sind, dass keine Gate-Elektrode 12 im Bereich der FWD angeordnet ist.
Hierbei ist der Emitter-Bereich 15 dann, wenn alle der ersten Bereiche 13 als der Kanalbereich des IGBT dienen, im Oberflächenabschnitt im ersten Bereich 13 angeordnet. Für gewöhnlich dient der erste Bereich 13 dann, wenn der Abstand zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem ersten Bereich 13 gering ist, auf einfache Weise als der Kanalbereich. Je näher der erste Bereich 13 oberhalb des Kathodenbereichs 19 zum Kollektorbereich 18 gelegen ist, desto einfacher dient der erste Bereich 13 als der Kanalbereich des IGBT, d. h. führt die Vorrichtung 100 die IGBT-Funktion aus. Wenn die Länge des Kathodenbereichs 19 in der parallelen Richtung groß ist, führt ein Teil der ersten Bereiche 13, der entfernt vom Kollektorbereich 18 angeordnet ist, die IGBT-Funktion gegebenenfalls nicht aus, obgleich der Teil der ersten Bereiche 13 einen Aufbau aufweist, der dazu ausgelegt ist, als der Kanalbereich zu dienen. In gleicher Weise ist die Anodenelektrode dann, wenn alle der ersten Bereiche 13 als der Anodenbereich der FWD dienen, elektrisch mit der Emitter-Elektrode 15 verbunden. Je kürzer der Abstand zwischen dem Kathodenbereich 19 und dem ersten Bereich 13 ist, desto leichter dient der erste Bereich 13 für gewöhnlich als der Anodenbereich der FWD. Je näher der erste Bereich 13 oberhalb des Kollektorbereichs 18 zum Kathodenbereich 19 gelegen ist, desto leichter dient der erste Bereich 13 als der Anodenbereich, d. h. führt die Vorrichtung 100 die FWD-Funktion aus. Folglich führt dann, wenn die Länge des Kollektorbereichs 18 groß ist, ein Teil der ersten Bereiche 13, der entfernt vom Kathodenbereich 19 angeordnet ist, die FWD-Funktion gegebenenfalls nicht aus, obgleich der Teil der ersten Bereiche 13 einen Aufbau aufweist, der dazu ausgelegt ist, als der Anodenbereich zu dienen.
Alle der kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b sind elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. Folglich dienen alle der kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b als der Anodenbereich der FWD. In diesem Fall ist eine Fläche des als der Anodenbereich dienenden Bereichs verglichen mit einem Fall, in dem nur die ersten Bereiche 13 als der Anodenbereich dienen, groß. Insbesondere wird eine Fläche des Bereichs, der als die FWD dienen soll, groß. Folglich wird die Durchlassspannung Vf der FWD verringert. Da die Breite des zweiten Bereichs 14 größer als die Breite des ersten Bereichs 13 ist, nimmt ein Spielraum für die FWD-Funktion zu. Folglich wird die Durchlassspannung Vf der FWD verringert.
Einzig die kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b oberhalb des Kathodenbereichs 19 dienen als der Anodenbereich. Der Abstand zwischen dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b und dem Kathodenbereich 19 ist gering. Der Strompfad der FWD wird verglichen mit einem Fall, in welchem der kollektorseitige zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 als der Anodenbereich dient, kürzer. Folglich wird die Durchlassspannung Vf der FWD verringert.
Ferner ist kein Emitterbereich 15 zum Bilden des IGBT im zweiten Bereich 14, d. h. im kathodenseitigen zweiten Bereich 14b. Folglich weisen die Basisschicht 11 im zweiten Bereich 14 und das Substrat 10 benachbart zur Basisschicht 11 selbst dann nicht das gleiche elektrische Potential auf, wenn das Ansteuersignal an die Gate-Elektrode 12 gegeben wird, d. h. wenn der IGBT arbeitet. Folglich wird die Problematik einer Lochinjektion am pn-Übergang zwischen der p-leitenden Basisschicht 11 und dem n-leitenden Substrat 10 vermieden. Die Problematik einer Lochinjektion wird durch den Ausgleich des elektrischen Potentials der Basisschicht 11 und des Substrats 10 verursacht. Folglich führt der kathodenseitige zweite Bereich 14b die FWD-Funktion mit und ohne die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode 12 aus. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b wird im Wesentlichen nicht durch das Potential der Gate-Elektrode 12 beeinflusst. Folglich wird die Zunahme der Durchlassspannung Vf der FWD selbst dann beschränkt, wenn das Gate des IGBT während des Betriebs der FWD einschaltet, d. h. wenn das Ansteuersignal an die Gate-Elektrode 12 des IGBT gegeben wird, während die FWD arbeitet. Folglich werden die Durchlassspannung Vf der FWD und ebenso der DC-Verlust in der Vorrichtung 100 verringert.
Alle der kollektorseitigen zweiten Bereiche 14a sind derart nicht elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden, dass die kollektorseitigen zweiten Bereiche 14a ein schwebendes Potential aufweisen. Folglich wird das Loch selbst dann nicht über den kollektorseitigen zweiten Bereich 14a zur Emitter-Elektrode 17 gezogen, wenn das Ansteuersignal derart an die Gate-Elektrode 12 gegeben wird, dass der Kanal im ersten Bereich 13 unterhalb des Emitter-Bereichs 15 gebildet wird, d. h. wenn das Gate des IGBT einschaltet. Folglich wird das Loch im Substrat 10 angesammelt. Auf diese Weise wird die Durchlassspannung Von des IGBT verringert.
Da der erste Bereich 13 oberhalb des Kollektorbereichs 18 und des Kathodenbereichs 19 angeordnet ist, wird eine Belegungsfläche des IGBT im Substrat 10 verglichen mit einem Fall, in welchem der erste Bereich 13 nur oberhalb des Kollektorbereichs 18 angeordnet ist, groß. Folglich wird die Durchlassspannung Von des IGBT verringert. Bei der Vorrichtung 100 werden die Durchlassspannung Von des IGBT und ebenso der DC-Verlust verringert.
Bei der Vorrichtung 100 sind der IGBT und die FWD auf demselben Substrat 10 gebildet. Die Chipgröße der Vorrichtung 100 wird verbessert, und die Durchlassspannung Vf der FWD und die Durchlassspannung Von des IGBT werden verringert. Ferner wird ebenso der DC-Verlust der Vorrichtung 100 verringert.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Breite zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem Kathodenbereich 19, der Durchlassspannung Von und der Durchlassspannung Vf untersucht. Das Ergebnis ist in der 4 gezeigt. Die durchgezogene Linie beschreibt die Durchlassspannung Vf der FWD. Die gestrichelte Linie beschreibt die Durchlassspannung Von des IGBT. Die Strichpunktlinie beschreibt den oberen Grenzwert der Durchlassspannung Vf und der Durchlassspannung Von. Wenn das Verhältnis der Breite Wp/Wn zunimmt, d. h. wenn die Breite von Wp des Kollektorbereichs 18 zunimmt, arbeitet der IGBT auf einfache Weise, so dass die Durchlassspannung Von des IGBT verringert wird. Wenn das Verhältnis der Breite abnimmt, d. h. wenn die Breite von Wn des Kathodenbereichs 19 zunimmt, arbeitet die FWD auf einfache Weise, so dass die Durchlassspannung Vf der FWD verringert wird. Ein Schnittpunkt zwischen der Strichpunktlinie und der durchgezogenen Linie weist das Breitenverhältnis von 3,1/0,7 auf, und ein weiterer Schnittpunkt zwischen der Strichpunktlinie und der gestrichelten Linie weist das Breitenverhältnis von 2,7/1,3 auf. Wenn das Breitenverhältnis derart eingestellt wird, dass es in einem Bereich zwischen 3,1/0,7 und 2,7/1,3 liegt, wird die Durchlassspannung Von des IGBT und ebenso die Durchlassspannung Vf der FWD gering. Bei dieser Ausführungsform wird das Breitenverhältnis, d. h. das pn-Breitenverhältnis (Wp/Wn) derart eingestellt, dass es ein Drittel beträgt, was der Mitte des obigen Bereichs zwischen 3,1/0,7 und 2,7/1,3 entspricht. Folglich ist die Durchlassspannung Von des IGBT und ebenso die Durchlassspannung Vf der FWD selbst dann gering, wenn das Verhältnis bei einem Fertigungsprozess geändert wird.
Bei der ersten Ausführungsform sind der erste Bereich 13, in welchem der Emitter-Bereich 15 als der n-leitende Bereich hoher Störstellenkonzentration gebildet ist, und der zweite Bereich 14 derart abwechselnd über die Gate-Elektrode 12 als die Graben-Gate-Struktur angeordnet, dass der erste Bereich 13 und der zweite Bereich 14 das Streifenmuster aufweisen. Folglich arbeiten die FWD und der IGBT gleichmäßig im Substrat 10.
(Zweite Ausführungsform)
5 zeigt eine Halbleitervorrichtung 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In der 3 ist der erste Bereich 13 mit dem Emitter-Bereich 15 im Oberflächenabschnitt des ersten Bereichs 13 direkt oberhalb des Kollektorbereichs 18 und des Kathodenbereichs 19 angeordnet. Die Bildungsfläche des ersten Bereichs 13 ist nicht festgelegt. So sind beispielsweise mehrere erste Bereiche 13 wiederholt zu vorbestimmten Intervallen entlang der parallelen Richtung angeordnet.
In der 5 sind die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 in einem Teil der Basisschicht 11 direkt oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Insbesondere sind sie von einer Grenze zwischen dem Kathodenbereich 10 und dem Kollektorbereich 18 zu einem vorbestimmten Bereich des Kathodenbereichs 19 gebildet. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b ist in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Die in der 5 gezeigt Vorrichtung wird wie folgt gebildet. Insbesondere wird in der 3 einer von drei ersten Bereiche 13 oberhalb des Kathodenbereichs 19 entfernt. Der eine der ersten Bereiche 13 ist am weitesten vom Kollektorbereich 18 entfernt angeordnet. Ferner wird ein Paar von Gate- Elektroden 12, das am weitesten vom Kollektorbereich 18 entfernt angeordnet ist, ebenso entfernt. Die Breite des kathodenseitigen zweiten Bereichs 14b auf der rechten Seite des ersten Bereichs 13 wird breiter als die Breite der anderen kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b. In der 5 sind der erste Bereich 13 und der zweite Bereich 14 abwechselnd entlang der parallelen Richtung angeordnet.
Mehrere Gate-Elektroden 12 sind nicht in der gesamten Basisschicht 11 gebildet, die direkt oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet ist, sondern in einem Teil des Basisschicht 11, welcher dem Kollektorbereich 18 am nächsten gelegen ist. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b ist in einer Gesamtheit des Bereichs gebildet, in welchem die Gate-Elektrode 12 nicht gebildet ist. Insbesondere ist der zweite Bereich 14b in einer Gesamtheit des Bereichs gebildet, der weit vom Kollektorbereich 18 entfernt angeordnet ist, derart, dass der Bereich nicht leicht als der IGBT arbeitet. In diesem Fall nimmt die Fläche des Anodenbereichs im Substrat 10 deutlich zu, so dass die als die FWD dienende Fläche deutlich zunimmt. Folglich wird die Durchlassspannung Vf der FWD deutlich verringert.
Die Fläche des kathodenseitigen zweiten Bereichs 14b als der Anodenbereich der FWD nimmt verglichen mit der in der 3 gezeigten Vorrichtung 100 zu. Sowohl der erste Bereich 13 als auch der zweite Bereich 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 dienen als der Anodenbereich der FWD. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b wird nicht durch das elektrische Potential der Gate-Elektrode 12 beeinflusst, so dass die Basisschicht 11 und das Substrat 10 selbst dann nicht das gleiche Potential aufweisen, wenn der IGT arbeitet. Folglich wird die Zunahme der Durchlassspannung Vf der FWD beschränkt, wenn das Gate des IGBT während des Betriebs der FWD einschaltet. Bei der in der 5 gezeigten Vorrichtung 100 wird die Durchlassspannung Vf der FWD deutlich verringert.
Die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 sind in einem Teil der Basisschicht 19 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der nahe dem Kollektorbereich 18 gelegen ist. Insbesondere sind die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 in einem Teil der Basisschicht 19 gebildet, der auf einfache Weise als der IGBT arbeitet. Der zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 weist das schwebende Potential auf. Folglich wird die Durchlassspannung Von des IGBT verglichen mit einem Fall, in welchem der erste Bereich 13 nur oberhalb des Kollektorbereichs 18 gebildet ist, verringert. Die Durchlassspannung Von der in der 5 gezeigten Vorrichtung ist leicht größer als die der in der 3 gezeigten Vorrichtung.
In der 5 ist der Kollektorbereich 18 nur auf der linken Seite des Kathodenbereichs 19 angeordnet. Alternativ kann der Kollektorbereich 18 auf beiden Seiten des Kathodenbereichs 19 angeordnet sein. In diesem Fall können die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 in einem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet sein, der in einem vorbestimmten Bereich von der Grenzfläche zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem Kathodenbereich 19 angeordnet ist. Der Teil der Basisschicht 11 ist auf beiden Seiten des Kathodenbereichs 19 angeordnet. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b ist in dem anderen Teil der Basisschicht 11 gebildet. Insbesondere sind die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 in einem vorbestimmten Bereich der Basisschicht 11 gebildet, der auf beiden Seiten des Kathodenbereichs 19 angeordnet ist. Sie sind in einem vorbestimmten Umfangsbereich der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der als auf der rechten bzw. auf der linken Seite benachbarter Bereich definiert ist. Der zweite Bereich 14b ist in einer Gesamtheit eines Mittelbereichs angeordnet, der zwischen dem auf der linken bzw. dem auf der rechten Seite benachbarten Bereich angeordnet ist.
(Dritte Ausführungsform)
6 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
Die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 sind nur in einem Teil der Basisschicht 11 angeordnet, der direkt oberhalb des Kathodenbereichs 19 angeordnet ist. Der Teil der Basisschicht 11 ist in einem vorbestimmten Bereich von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich 19 und dem Kollektorbereich 18 angeordnet. Die Grenzfläche ist in der 6 als gestrichelte Linie definiert. Der Teil der Basisschicht 11 ist als benachbarter Bereich des Kollektorbereichs 18 definiert. Mehrere Dummy-Gate-Elektroden 22 sind in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 weist das gleiche Potential wie die Gate-Elektrode 12 auf und ist aus dem gleichen Material wie die Gate-Elektrode 12 aufgebaut. Ferner weist die Dummy-Gate-Elektroden 22 den gleichen Aufbau wie die Gate-Elektrode 12 auf. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b ist in einem Bereich gebildet, der zwischen einem Paar von Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet ist. Der zweite Bereich 14b, der zwischen einem Paar der Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet ist, ist elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden.
Die in der 6 gezeigte Vorrichtung wird wie folgt bereitgestellt. Einer der drei ersten Bereiche 13 oberhalb des Kathodenbereichs 19 in der 3 wird durch den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b ersetzt, welcher den Emitter-Bereich 15 nicht in einem Oberflächenabschnitt des zweiten Bereichs 14b aufweist. Der eine der ersten Bereiche 13 ist am weitesten vom Kollektorbereich 18 entfernt angeordnet. Der zweiten Bereich 14b dient nur als der Anodenbereich der FWD. Insbesondere wird der kathodenseitige zweite Bereich 14b in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 wird im kathodenseitigen zweiten Bereich 14b oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Zwei Paare der Gate-Elektroden 12 und eines oder mehrere Paare der Dummy-Gate-Elektroden 22 werden wiederholt zu vorbestimmten Intervallen in der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 entlang der parallelen Richtung gebildet.
Ähnlich der zweiten Ausführungsform werden mehrere Gate-Elektroden 12 nicht gleichmäßig in einer Gesamtheit der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, sondern in einem Teil der Basisschicht 11 in einem vorbestimmten Bereich von der Grenzfläche zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem Kathodenbereich 19. Insbesondere wird der erste Bereich 13 in dem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der nahe dem Kollektorbereich 18 gelegen ist. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b ohne Emitter-Bereich 15 wird in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der entfernt vom Kollektorbereich 18 angeordnet ist. Die Gate-Elektrode 12 wird nicht in dem anderen Teil der Basisschicht 11 gebildet. In diesem Fall sind der als der Anodenbereich im Substrat 10 dienende Bereich und der als die FWD dienende Bereich verglichen mit der in der 3 gezeigten Vorrichtung groß. Folglich wird die Durchlassspannung Vf der FWD deutlich verringert.
Da der kathodenseitige zweite Bereich 14b ohne Emitter-Bereich 15 zwischen den Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet ist, nimmt das Flächenverhältnis zwischen dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b und dem als der Anodenbereich dienenden Bereich verglichen mit der in der 3 gezeigten Vorrichtung zu. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b wird derart nicht durch das Potential der Gate-Elektrode 12 beeinflusst, dass die Basisschicht 11 und das Substrat 10 selbst dann nicht das gleiche Potential aufweisen, wenn der IGBT arbeitet. Der als der Anodenbereich dienende Bereich weist den erste Bereich 13 und den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b auf. Folglich wird die Zunahme der Durchlassspannung Vf der FWD beschränkt, wenn die FWD arbeitet und das Gate des IGBT einschaltet. Bei der in der 6 gezeigten Vorrichtung 100 wird die Durchlassspannung Vf der FWD deutlich verringert.
Die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 werden in dem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der nahe dem Kollektorbereich 18 angeordnet ist. Der kollektorseitige zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 weist ein schwebendes Potential auf. Folglich wird die Durchlassspannung Von des IGBT verglichen mit einem Fall, in welchem der erste Bereich 13 nur oberhalb des Kollektorbereichs 18 gebildet ist, verringert. Die Durchlassspannung Von der in der 6 gezeigten Vorrichtung ist leicht höher als der der in der 3 gezeigten Vorrichtung.
Mehrere Dummy-Gate-Elektroden 22 werden in dem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, in welchem die Gate-Elektrode 12 nicht gebildet ist. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 weist den gleichen Aufbau und das gleiche elektrische Potential wie die Gate-Elektrode 12 auf. Folglich ist die Fläche des in der 6 gezeigten Anodenbereichs leicht geringer als die des in der 5 gezeigten Anodenbereichs. Eine Oberflächenstruktur des Substrats 10 ist jedoch gleichmäßig ausgebildet, und eine Äquipotentiallinie verläuft im Wesentlichen gleichmäßig. Folglich wird eine Ungleichmäßigkeit eines elektrischen Feldes verringert. Insbesondere wird eine Verringerung der Durchbruchspannung des IGBT beschränkt, obgleich die Gate- Elektrode 12 nicht in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet ist.
Ähnlich der zweiten Ausführungsform kann der Kollektorbereich 18 bei der vorliegenden Ausführungsform auf beiden Seiten des Kathodenbereichs 19 angeordnet sein. In diesem Fall werden die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 in beiden Umfangsteilen der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Die Dummy-Gate-Elektroden 22 wird in dem anderen Teil der Basisschicht 11 gebildet, der in einem Mittelabschnitt der Basisschicht 11 angeordnet ist.
(Vierte Ausführungsform)
7 zeigt eine Halbleitervorrichtung 100 gemäß einer vierten Ausführungsform.
Ähnlich der zweiten und der dritten Ausführungsform sind die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 in einem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der in einem vorbestimmten Bereich von dem Ende des Kollektorbereichs 18 entlang der parallelen Richtung angeordnet ist. Das Ende des Kollektorbereichs 18 ist in der 7 als gestrichelte Linie gezeigt. Der Kathodenbereich 19 ist benachbart zum Kollektorbereich 18 angeordnet. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 ist in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 angeordnet. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 weist den gleichen Aufbau und das gleiche elektrische Potential wie die Gate-Elektrode 12 auf. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 weist die gleiche Graben-Gate-Struktur wie die Gate-Elektrode 12 auf. Ein n⁺-leitender Dummy-Emitter-Bereich 23 ist gezielt in einem Oberflächenabschnitt gebildet, der zwischen den Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet ist. Der Dummy-Emitter-Bereich 23 weist den gleichen Aufbau wie der Emitter-Bereich 15 auf. Der Dummy-Emitter-Bereich 23 ist benachbart zu einer Seitenwand der Dummy-Gate-Elektrode 22 angeordnet. Ferner ist ein dritter Bereich 24 mit dem Dummy-Emitter-Bereich 23, der in einem Oberflächenabschnitt des dritten Bereichs 24 gebildet ist, zwischen den Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet. Der dritte Bereich 24 weist ein schwebendes Potential auf.
Die in der 7 gezeigte Vorrichtung wird wie folgt bereitgestellt. Einer der drei ersten Bereiche 13 oberhalb des Kathodenbereichs 19 in der 3 wird durch den dritten Bereich 24 mit dem schwebenden Potential ersetzt. Der eine der ersten Bereiche 13 ist am weitesten vom Kollektorbereich 18 entfernt angeordnet. Der erste Bereich 13 mit dem Emitter-Bereich 15, der dritte Bereich 24 mit dem Dummy-Emitter-Bereich 23 und der zweite Bereich 14 werden entlang der parallelen Richtung in der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 abwechselnd angeordnet. Ferner werden mehrere Paare von Gate-Elektroden 12 und mehrere Paare von Dummy-Gate-Elektroden 22 entlang der parallelen Richtung zu vorbestimmten Abständen abwechselnd angeordnet. Da der dritte Bereich 24 jedoch das schwebende Potential aufweist, weist ein Paar der Dummy-Gate-Elektroden 22 zum Trennen des dritten Bereichs 24 vom zweiten Bereich 14 den gleichen Aufbau und das gleiche Potential wie ein Paar der Gate-Elektroden 12 auf. Obgleich der Dummy-Emitter-Bereich 23 den gleichen Aufbau wie der Emitter-Bereich 15 aufweist, dienen der Dummy-Emitter-Bereich 23 und die Dummy-Gate-Elektroden 22 nicht als der IGBT.
Bei dieser Ausführungsform sind, ähnlich der zweiten und der dritten Ausführungsform, mehrere Gate-Elektroden 12 nicht gleichmäßig in einer Gesamtheit der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, sondern nur in einem vorbestimmten Bereich nahe dem Kollektorbereich 18. Folglich ist der erste Bereich 13 nur in einem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der nahe dem Kollektorbereich 18 gelegen ist. Der dritte Bereich 24 wird durch die Dummy-Gate-Elektroden 22 vom kathodenseitigen zweiten Bereich 14b getrennt, und der dritte Bereich 24 ist in dem Teil der Basisschicht 11 gebildet, in welchem die Gate-Elektrode 12 nicht gebildet ist. Der Teil der Basisschicht 11 ist entfernt vom Kollektorbereich 18 angeordnet. Der dritte Bereich 24 weist zusammen mit dem Dummy-Emitter-Bereich 23, der im Oberflächenabschnitt des dritten Bereichs 24 gebildet ist, ein schwebendes Potential auf. Der dritte Bereich 24 dient nicht als der Kanalbereich des IGBT. Ferner dient der dritte Bereich 24 ebenso nicht als der Anodenbereich der FWD. In diesem Fall weist der als der Anodenbereich der FWD dienende Bereich den ersten Bereich 13 und den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b auf. Der Anteil des kathodenseitigen zweiten Bereichs 14b ist höher als der des in der 3 gezeigten kathodenseitigen zweiten Bereichs. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b wird nicht durch das Potential der Gate-Elektrode 12 beeinflusst, so dass die Basisschicht 11 und das Substrat 10 selbst dann nicht das gleiche Potential aufweisen, wenn der IGBT arbeitet. Folglich wird die Zunahme der Durchlassspannung Vf der FWD beschränkt, wenn das Gate des IGBT während des Betriebs der FWD einschaltet. Auf diese Weise wird die Durchlassspannung Vf der FWD deutlich verringert.
Bei dieser Ausführungsform sind die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 in dem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der nahe dem Kollektorbereich 18 angeordnet ist. Der kollektorseitige zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 weist ein schwebendes Potential auf. Folglich liegt die Durchlassspannung Von des in der 7 gezeigten IGBT leicht über der des in der 3 gezeigten IGBT. Die Durchlassspannung Von des in der 7 gezeigten IGBT wird jedoch verglichen mit einem Fall, in welchem der erste Bereich 13 nur oberhalb des Kollektorbereichs 18 gebildet ist, verringert.
Mehrere Dummy-Gate-Elektroden 22 anstelle der Gate-Elektroden 12 sind in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, in welchem die Gate-Elektrode 12 nicht gebildet ist. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 weist den gleichen Aufbau und das gleiche elektrische Potential wie die Gate-Elektrode 12 auf. Folglich liegt das Flächenverhältnis des Anodenbereichs bei der in der 7 gezeigten FWD leicht unter dem des in der 5 gezeigten Anodenbereichs. Der Aufbau des Substrats 10 auf der Vorderseite ist jedoch gleichmäßig ausgebildet, und eine Äquipotentiallinie verläuft im Wesentlichen gleichmäßig. Folglich wird eine Ungleichmäßigkeit eines elektrischen Feldes verringert. Insbesondere wird eine Verringerung der Durchbruchspannung des IGBT beschränkt, obgleich die Gate-Elektrode 12 nicht in dem anderen Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet ist.
Der dritte Bereich 24, welcher den Dummy-Emitter-Bereich 23 aufweist und zwischen den Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet ist, weist das schwebende Potential auf. Ein Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19, der zwischen den Gate-Elektroden 12 angeordnet ist und den Emitter-Bereich 15 in einem Oberflächenabschnitt davon aufweist, bildet den Emitter-Bereich 15, der mit der Emitter- Elektrode 17 verbunden ist. Der andere Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19, der zwischen den Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet ist und den Dummy-Emitter-Bereich 23 in einem Oberflächenabschnitt davon aufweist, bildet den dritten Bereich 24, der nicht mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, so dass der dritte Bereich 24 nicht als der IGBT und die FWD arbeitet. Folglich wird dadurch, dass eine Maske zum Bilden einer Verbindung zur Emitter-Elektrode 17 verwendet wird, das Flächenverhältnis zwischen dem ersten Bereich 13 und dem dritte Bereich 24 in der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 18 abgestimmt. Da der Emitter-Bereich 15 in dem Oberflächenabschnitt des ersten Bereichs 13 angeordnet ist, weisen die Basisschicht 11 in dem ersten Bereich 13 und das Substrat 10 das gleiche Potential auf, wenn der IGBT arbeitet. Folglich wird eine Lochinjektion am pn-Übergang verhindert. Auf diese Weise wird dann, wenn der erste Bereich 13 als der Anodenbereich der FWD dient, der Durchlassvorgang der FWD durch das Gate-Potential beeinflusst. Da der dritte Bereich 24 jedoch das schwebende Potential aufweist, dient der dritte Bereich 24 nicht als der Anodenbereich der FWD. Folglich kann dadurch, dass die eine Maske verwendet wird, der Einfluss des Potentials in der Gate-Elektrode 12 auf die Durchlassspannung Vf der FWD kontrolliert werden. Folglich wird der Einfluss des Potentials der Gate-Elektrode 12 dann, wenn die Vorrichtung 100 gefertigt wird, auf einfache Weise mittels der einen Maske abgestimmt.
Ähnlich der zweiten Ausführungsform sind die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 dann, wenn der Kollektorbereich 18 auf beiden Seiten des Kathodenbereichs 19 entlang der parallelen Richtung angeordnet ist, in einem vorbestimmten Bereich von jeder Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich 19 und dem Kollektorbereich 18 gebildet. Die Dummy-Gate-Elektrode 22, der Dummy-Emitter-Bereich 23 und der dritte Bereich 24 sind in einem verbleibenden Teil (d. h. einem Mittelteil) der Basisschicht 11 gebildet.
(Fünfte Ausführungsform)
8 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform.
In der 7 weist der dritte Bereich 2, der vom kathodenseitigen zweiten Bereich 14b mit einem Paar von Dummy-Gate-Elektroden 22 getrennt ist und den Dummy-Emitter-Bereich 23 im Oberflächenabschnitt des dritte Bereichs 24 aufweist, das schwebende Potential auf, so dass der dritte Bereich 24 nicht als der IGBT und die FWD dient. In der 8 weist die Dummy-Gate-Elektrode 22 nicht das gleiche Potential wie die Gate-Elektrode 12 auf, sondern ist die Dummy-Gate-Elektrode 22 zusammen mit dem Dummy-Emitter-Bereich 23 und dem dritten Bereich 24 elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. Insbesondere wird das Ansteuersignal nicht an die Dummy-Gate-Elektroden 22 gegeben, so dass der dritte Bereich 24 nicht als der IGBT arbeitet.
Ähnlich der zweiten bis vierten Ausführungsform sind mehrere Gate-Elektroden 12 nicht gleichmäßig in einer Gesamtheit der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, sondern nur in einem vorbestimmten Bereich von der Grenzfläche zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem Kathodenbereich 19. Insbesondere ist der erste Bereich 13 nur in einem Teil der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet, der nahe dem Kollektorbereich 18 angeordnet ist. Die Dummy-Gate-Elektrode 22 ist in dem anderen Teil der Basisschicht 11 gebildet, in welchem die Gate-Elektrode 12 nicht gebildet ist. Der andere Teil der Basisschicht 11 ist entfernt vom Kollektorbereich 18 angeordnet. Der dritte Bereich 24 ist zwischen den Dummy-Gate-Elektroden 22 angeordnet. Der Dummy-Emitter-Bereich 23 ist gezielt in einem Oberflächenabschnitt des dritten Bereichs 24 gebildet. Die Dummy-Gate-Elektrode 22, der Dummy-Emitter-Bereich 23 und der dritte Bereich 24 sind elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. Folglich dient der dritte Bereich 24 nicht als der Kanalbereich des IGBT. Der dritte Bereich 24 dient einzig als der Anodenbereich der FWD. In diesem Fall werden der als der Anodenbereich im Substrat 10 dienende Bereich und der als die FWD dienende Bereich groß. Folglich wird die Durchlassspannung Vf der FWD deutlich verringert.
Das Verhältnis zwischen dem Bereich, der nicht durch das Potential der Gate-Elektrode 12 beeinflusst wird, und dem Bereich, der als der Anodenbereich der FWD dient, liegt über dem in der 3 gezeigten Verhältnis. Der Bereich, der nicht durch das Potential beeinflusst wird, weist den zweiten Bereich 14b und den dritten Bereich 24 auf und ist derart vorgesehen, dass der Basisbereich 11 und das Substrat 10 selbst dann nicht das gleiche Potential aufweisen, wenn der IGBT arbeitet. Der als der Anodenbereich dienende Bereich weist den erste Bereich 13, den zweiten Bereich 14b und den dritten Bereich 24 auf. Folglich wird dann, wenn das Gate des IGBT während des Betriebs der FWD einschaltet, die Zunahme der Durchlassspannung Vf der FWD beschränkt. Auf diese Weise wird die Durchlassspannung Vf der FWD in der Halbleitervorrichtung 100 deutlich verringert.
Die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13 nahe dem Kollektorbereich 18 sind in der Basisschicht 11 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Der kollektorseitige zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 weist das schwebende Potential auf. Folglich wird die Durchlassspannung Von verglichen mit einem Fall, in welchem der erste Bereich 13 nur oberhalb des Kollektorbereichs 18 gebildet ist, verringert, obgleich die Durchlassspannung Von des IGBT leicht über der des in der 3 gezeigten IGBT liegt.
Ferner sind die Gate-Elektrode 12 und der erste Bereich 13, ähnlich der zweiten Ausführungsform, wenn der Kollektorbereich 18 auf beiden Seiten des Kathodenbereichs 19 angeordnet ist, nur in einem vorbestimmten Bereich von beiden Endes des Kathodenbereichs 19 angeordnet. Die Dummy-Gate-Elektrode 22, der Dummy-Emitter-Bereich 23 und der dritte Bereich 24 sind in einem anderen Teil des Kathodenbereichs 19 gebildet.
(Sechste Ausführungsform)
9 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform.
Ein Grabenkontaktabschnitt 25 ist in einem Bereich gebildet, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist. Insbesondere ist der Grabenkontaktabschnitt 25 in dem ersten Bereich 13 und dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b gebildet. Der Grabenkontaktabschnitt 25 grenzt an die Emitter-Elektrode 17 und ist in einem Oberflächenabschnitt des Bereichs gebildet. Der Grabenkontaktabschnitt 25 ist ein Kontaktbereich in einem Graben, der in der Basisschicht 11 gebildet ist und eine Tiefe aufweist, die geringer als die der Basisschicht 11 ist. Der Grabenkontaktabschnitt 25 ist aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Wolfram, aufgebaut. Der Grabenkontaktabschnitt 25 wird derart bereitgestellt, dass ein p⁺-leitende Kontaktbereich in der 5 durch den Grabenkontaktabschnitt 25 ersetzt wird. Der Grabenkontaktabschnitt 25 wird mit Hilfe eines herkömmlichen Halbleiterprozesses gebildet.
Ein Teil von sowohl dem ersten Bereich 13 als auch dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b, der als der Anodenbereich dient und einen Abschnitt hoher Störstellenkonzentration der Basisschicht 11 bildet, wird entfernt, wenn der Graben für den Grabenkontaktabschnitt 25 gebildet wird. Folglich wird eine Injektion von Löchern vom ersten Bereich 13 und vom kathodenseitigen zweiten Bereich 14b zur Substratseite verglichen mit einem Fall, in welchem die Vorrichtung den Grabenkontaktabschnitt 25 nicht aufweist, verringert, wenn die FWD arbeitet. Folglich wird dann, wenn die FWD vom Betriebszustand in den Nichtbetriebszustand geschaltet wird, d. h., wenn die FWD vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand geschaltet wird, der Erholstrom Irr, der unmittelbar in Sperrrichtung fließt, verringert. Insbesondere fließt der Erholstrom Irr in einer Richtung entgegengesetzt zu einem Fall, in dem sich die FWD im Betriebszustand befindet. Folglich wird der SW-Verlust, d. h. der AC-Verlust, verringert. Zusätzlich zur Verringerung des DC-Verlusts führt die Verringerung des AC-Verlusts dazu, dass der Stromverbrauch in der Vorrichtung 100 verringert wird.
In der 9 wird der Grabenkontaktabschnitt 25 derart bereitgestellt, dass er im ersten Bereich 13 und im kathodenseitigen zweiten Bereich 14b in der 5 gebildet wird. Der Grabenkontaktabschnitt 25 kann in einem Bereich gebildet werden, der als der Anodenbereich der FWD dient, der mit dem Emitter-Bereich 17 verbunden ist. Folglich kann der Grabenkontaktabschnitt 25 in dem Bereich gebildet werden, der mit dem Emitter-Bereich 17 in den 6 bis 8 verbunden ist. In der 8 kann der Grabenkontaktabschnitt 25 beispielsweise im ersten Bereich 13, im kathodenseitigen zweiten Bereich 14b und im dritten Bereich 24 gebildet werden, die oberhalb des Kathodenbereichs 19 angeordnet sind.
Eine Schicht geringer Lebensdauer kann durch eine Bestrahlung mit Elektronen oder Heliumatomen an einer Grenzfläche zwischen der Basisschicht 11 und dem Substrat 10 gebildet werden. Die Schicht geringer Lebensdauer verringert eine Ladungsträgerdichte unterhalb der Basisschicht 11. Folglich wird die Ladungsträgerdichte nahe dem als der Anodenbereich dienenden Bereich gering, so dass der Erholstrom Irr derart verringert wird, dass der SW-Verlust niedrig wird.
(Siebte Ausführungsform)
10 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform.
Eine n-leitende Halbleiterschicht 26 als n-Wanne ist in einem Bereich gebildet, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist. Insbesondere ist die Halbleiterschicht 26 zwischen dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b und dem Substrat 10 und zwischen dem ersten Bereich 13 und dem Substrat 10 gebildet. Die Halbleiterschicht 26 weist eine Störstellenkonzentration auf, die über der des Substrats 10 und unter der des Emitter-Bereichs 15 liegt. Die Halbleiterschicht 26 weist beispielsweise eine Störstellenkonzentration von 1 × 10¹⁶ cm^–3 auf. Die Halbleiterschicht 26 wird mit Hilfe eines herkömmlichen Halbleiterprozesses gebildet.
Da die Vorrichtung 100 die Halbleiterschicht 26 aufweist, bildet die Halbleiterschicht 26 eine Sperre bezüglich von Löchern, die vom Kollektorbereich 18 injiziert werden, wenn der IGBT arbeitet. Folglich werden die Löcher nicht von der Substratseite in den Bereich injiziert, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, wobei der Bereich den ersten Bereich 13 und den zweiten Bereich 14b aufweist. Folglich werden die Löcher nahe der Halbleiterschicht 26 gesammelt, so dass die Durchlassspannung Von des IGBT verringert wird.
Ferner wird der Injektionsbetrag von Löchern, die vom ersten Bereich 13 und vom zweiten Bereich 14b zur Substratseite injiziert werden, wenn die FWD arbeitet, verglichen mit einem Fall, in welchem die Vorrichtung 100 keine Halbleiterschicht 26 als Sperre aufweist, verringert. Folglich wird der Erholstrom Irr verringert, wenn die FWD in den Nichtbetriebszustand geschaltet wird, d. h. wenn die FWD vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand geschaltet wird. Ferner wird der SW-Verlust verringert. Zusätzlich zur Verringerung des DC-Verlusts führt die Verringerung des SW-Verlusts dazu, dass der Stromverbrauch in der Vorrichtung 100 verringert wird.
Die Halbleiterschicht 26 wird derart bereitgestellt, dass die Schicht 26 zwischen dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b und dem Substrat 10 und zwischen dem ersten Bereich 13 und dem Substrat 10 in der Vorrichtung 100 der 5 gebildet wird. Alternativ kann die Halbleiterschicht 26 in dem Bereich gebildet werden, der mit der Emitter-Elektrode 17 in den 6 bis 9 verbunden ist, wobei der Bereich als die Anode der FWD dient.
In der 10 ist die Halbleiterschicht 26 einzig zwischen dem kathodenseitigen zweiten Bereich 14b und dem Substrat 10 und zwischen dem ersten Bereich 13 und dem Substrat 10 gebildet. Alternativ kann die Halbleiterschicht 26, wie in 11 gezeigt, zwischen dem kollektorseitigen zweiten Bereich 14a und dem Substrat 10 gebildet sein. Wenn die Halbleiterschicht 26 bezüglich des kollektorseitigen zweiten Bereichs 14a mit dem schwebenden Potential gebildet wird, können sich Elektronen, die vom Emitter-Bereich 15 zum ersten Bereich 13 injiziert werden, unterhalb des kollektorseitigen zweiten Bereichs 14a ausdehnen, wenn der IGBT arbeitet. Folglich wird die Durchlassspannung Von des IGBT deutlich verringert, da sich der Strompfad ausdehnt.
In den 10 und 11 ist die Halbleiterschicht 26 von der Gate-Elektrode 12 getrennt. In diesem Fall wird die Konzentration des elektrischen Feldes nahe der Gate-Elektrode 12 beschränkt. Folglich wird die Durchlassspannung des IGBT und der FWD verbessert. Alternativ kann die Halbleiterschicht 26 an die Gate-Elektrode 12 grenzen. In diesem Fall kann die Halbleiterschicht 26 die Gate-Elektrode 12 durchdringen.
(Achte Ausführungsform)
12 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform.
In der 10 ist die Halbleiterschicht 26 zwischen dem ersten Bereich 13 oder dem zweiten Bereich 14b, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden sind, und dem Substrat 10 gebildet. In der 12 ist der Grabenkontaktabschnitt 25, ähnlich der in der 9 gezeigten Vorrichtung, im ersten Bereich 13 gebildet. Eine p-leitende Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration als p-Wanne ist zwischen der Halbleiterschicht 26 und dem Grabenkontaktabschnitt 25 gebildet. Die Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration ist p-leitend und weist eine Störstellenkonzentration auf, die über der der Basisschicht 11 liegt. Die Störstellenkonzentration der Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration liegt beispielsweise bei 1 × 10¹⁷ cm^–3. Die Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration wird mit Hilfe eines herkömmlichen Halbleiterprozesses gebildet.
Folglich weist die in der 12 gezeigte Vorrichtung einen Effekt des Grabenkontaktabschnitt 25 der sechsten Ausführungsform und einen Effekt der Halbleiterschicht 26 der siebten Ausführungsform auf.
Ferner wird, da die Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration zwischen dem Grabenkontaktabschnitt 25 und der Halbleiterschicht 26 gebildet ist, die Verringerung der Durchbruchspannung des IGBT beschränkt, obgleich der Abstand zwischen einem Kontaktbereich für die Emitter-Elektrode 17 und der Halbleiterschicht 26 gering ist.
In der 12 ist der Grabenkontaktabschnitt 25 einzig im ersten Bereich 13 und die Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration zwischen dem Grabenkontaktabschnitt 25 und der Halbleiterschicht 26 gebildet. Alternativ kann der Grabenkontaktabschnitt 25 in allen Bereiche gebildet sein, die, wie in 9 gezeigt, mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden sind, und kann die Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration zwischen dem Grabenkontaktabschnitt 25 und der Halbleiterschicht 27 gebildet sein. Der Grabenkontaktabschnitt 25 ist beispielsweise, wie in 13 gezeigt, nicht nur im ersten Bereich 13 gebildet, sondern ebenso im kathodenseitigen zweiten Bereich 14b. Die Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration ist zwischen dem Grabenkontaktabschnitt 25 und der Halbleiterschicht 26 gebildet. In diesem Fall wird der SW-Verlust deutlich verringert. Ferner wird die Verringerung der Durchbruchspannung der FWD beschränkt, zusammen mit dem Effekt der Halbleiterschicht 26, da die Schicht 27 hoher Störstellenkonzentration im zweiten Bereich 14b gebildet ist.
(Neunte Ausführungsform)
Die 14 bis 17 zeigen eine Halbleitervorrichtung 100 gemäß einer neunten Ausführungsform. 14 zeigt eine Draufsicht zur Veranschaulichung der Vorderseite der Vorrichtung 100, und 15 zeigt eine Draufsicht zur Veranschaulichung der Rückseite der Vorrichtung 100. 16 zeigt einen Schaltplan zur Veranschaulichung einer Rückkopplungsschaltung mit der in der 14 und 15 gezeigten Vorrichtung 100. 17 zeigt eine Beziehung zwischen einer Potentialdifferenz zwischen beiden Enden eines Messwiderstands und einem Ausgang eines Rückkopplungsabschnitts. In der 15 ist ein Messelement 33, das auf der Vorderseite des Substrats 10 angeordnet ist, als gestrichelte Linie gezeigt.
Das Substrat 10 weist einen Hauptbereich 30, welcher dem Bereich 30 der obigen Ausführungsformen entspricht, und einen Messbereich auf. Das IGBT-Element und das FWD-Element sind in dem Hauptbereich 30 gebildet. Der Messbereich weist Abmessungen auf, die geringer als diejenigen des Hauptbereichs 30 sind. Der Hauptbereich 30 kann dem Bereich in den 1 bis 13 entsprechen. Der Messbereich weist ein Messelement 33 auf, durch das Strom proportional zum Strom in der FWD fließt. Auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses des Messelements 33 wird eine Regelung derart ausgeführt, dass das Ansteuersignal für eine Eingabe an die Gate-Elektrode 12 des IGBT blockiert wird, wenn die FWD arbeitet. Wenn die FWD nicht arbeitet, wird das Ansteuersignal an die Gate-Elektrode 12 gegeben.
Bei dieser Ausführungsform weist der Messbereich den gleichen Aufbau wie der Hauptbereich 30 auf. Die Fläche des Messbereich beträgt ungefähr ein tausendstel der Fläche des Hauptbereichs 30. Folglich bildet das Messelement 33 sowohl ein IGBT-Messelement 33a als auch ein FWD-Messelement 33b. Durch das IGBT-Messelement 33a fließt Strom proportional zum Strom, der durch den IGBT fließt. Durch das FWD-Messelement 33b fließt Strom proportional zum Strom, der durch die FWD fließt. Das Bezugszeichen 34 beschreibt eine Kontaktstelle für das Messelement 33. Das Bezugszeichen 35 beschreibt einen Kathodenbereich des Messelements 33. Der Kathodenbereich 35 ist nicht direkt unterhalb eines Oberflächenabschnitts des Substrats 10 angeordnet, der in der 15 als gestrichelte Linie gezeigt ist. Der Kathodenbereich 35 ist an einer Position angeordnet, die einen vorbestimmten Abstand entlang einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung des Substrats 10 vom Oberflächenabschnitt entfernt angeordnet ist. Folglich ist der Kollektorbereich 18, welcher das IGBT-Element 30a und das Messelement 33 bildet, auf der Rückseite des Substrats 10 direkt unterhalb des Messelements 22 angeordnet. Das Messelement 33 ist auf der Vorderseite des Substrats 10 angeordnet. Auf diese Weise wird die Verringerung des Ausgangs des IGBT-Messelements 33a beschränkt.
Nachstehend wird eine Rückkopplungsschaltung für ein Gate-Ansteuersignal mit der Halbleitervorrichtung 100 beschrieben. Die Rückkopplungsschaltung ist ein Teil einer Inverterschaltung, d. h. die Rückkopplungsschaltung ist einer der oberen und unteren Arme in der Inverterschaltung. Die JP 2007-229959 und die JP 2007-268328 offenbaren eine gewöhnliche Rückkopplungsschaltung.
Die Rückkopplungsschaltung weist, wie in 16 gezeigt, die in den 14 und 15 gezeigte Halbleitervorrichtung 100, eine UND-Schaltung 101, einen Messwiderstand 102 und ein Rückkopplungselement 103 auf.
Die UND-Schaltung 101 ist eine logische Schaltung zum Ausgeben eines Signals hohen Pegels, wenn alle Signale, die an die UND-Schaltung 101 gegeben werden, einen hohen Pegel aufweisen. Ein PWM-Gate-Signal wird von einer externen Schaltung an die UND-Schaltung 101 gegeben, um die Halbleitervorrichtung 100 anzusteuern, d. h. um das IGBT-Element 30a und das IGBT-Messelement 33a zu betreiben. Hierbei entspricht das PWM-Gate-Signal dem Ansteuersignal. Ferner wird ein Ausgang des Rückkopplungselements 103 an die UND-Schaltung 101 gegeben. Das PWM-Gate-Signal wird von einer PWM-Signalerzeugungsschaltung als die externe Schaltung erzeugt. Das Gate-Signal wird an einen Eingangsanschluss der UND-Schaltung 101 gegeben. Die UND-Schaltung 101 und das Rückkopplungselement 103 bilden ein Rückkopplungsmittel.
Die UND-Schaltung 101 ist über den Gate-Widerstand 104 elektrisch mit der Gate-Kontaktstelle 32 in der Vorrichtung 100 verbunden. Die Steuerung der Gate-Spannung in dem IGBT-Element 30a und dem IGBT-Messelement 33a wird mittels des PWM-Gate-Signals ausgeführt, das von der UND-Schaltung 101 über den Gate-Widerstand 104 eingegeben wird. Wenn das PWM-Gate-Signal, welches die UND-Schaltung 101 passiert, beispielsweise ein Signal hohen Pegels ist, schaltet das IGBT-Element 30a ein, so dass die Vorrichtung 100 zu arbeiten beginnt. Wenn das PWM-Gate-Signal ein Signal niedrigen Pegels ist, schaltet das IGBT-Element 30a aus, so dass die Vorrichtung 100 zu arbeiten aufhört. Wenn die UND-Schaltung 101 das Durchlassen des PWM-Gate-Signals stoppt, d. h. wenn die Eingabe des PWM-Gate-Signals an die Gate-Elektrode 12 unzulässig ist, werden das IGBT-Element 30a und das IGBT-Messelement 33a nicht angesteuert bzw. betrieben.
Ein Kollektor des IGBT-Elements 30a ist mit einer Last und einer Energiequelle verbunden, die in der 16 nicht gezeigt sind. Ein Hauptstrom fließt zwischen dem Kollektor und dem Emitter im IGBT-Element 30a. Die Kollektorelektrode des IGBT-Messelements 33a und die Kollektorelektrode 20 des IGBT-Elements 30a sind zusammen. Der Emitterbereich des IGBT-Messelements 33a ist über die Messkontaktstelle 34 mit einem Ende des Messwiderstands 102 verbunden. Das andere Ende des Messwiderstands 102 ist mit dem Emitter-Bereich 15 des IGBT-Elements 30a verbunden, d. h. mit der Emitter-Elektrode 17 des IGBT-Elements 30a verbunden, die beispielsweise der in der 3 gezeigten Emitter-Elektrode 17 entspricht. Folglich fließt ein Messstrom zur Stromerfassung vom Emitter-Bereich des IGBT-Messelements 33a. Der Messstrom ist proportional zum Hauptstrom, der durch das IGBT-Element 30a fließt. Der Messstrom fließt durch den Messwiderstand 102. Die Potentialdifferenz Vs zwischen beiden Enden des Messwiderstands 102 wird zum Rückkopplungselement 103 rückgekoppelt.
Das Rückkopplungselement 103 ist aus einer Kombination von Operationsverstärkern und dergleichen gebildet. Das Rückkopplungselement 103 bestimmt, ob Strom durch das FWD-Element 30b fließt, und ob ein Überschussstrom durch das IGBT-Element 30a fließt. Auf der Grundlage des Bestimmungsergebnisses des Rückkopplungselements 103 erlaubt oder verbietet es das Rückkopplungselement 103, das PWM-Gate-Signal, das an die UND-Schaltung 101 gegeben wird, passieren zu lassen. Folglich weist das Rückkopplungselement 103 einen Diodenstromerfassungsschwellenwert Vth1 und einen Überschussstromerfassungsschwellenwert Vth2 auf. Der Diodenstromerfassungsschwellenwert Vth1 wird dazu verwendet, zu bestimmen, ob der Strom durch das FWD-Element 30b fließt. Der Überschussstromerfassungsschwellenwert Vth2 wird dazu verwendet, zu bestimmen, ob der Überschussstrom durch das IGBT-Element 30a fließt. Der Diodenstromerfassungsschwellenwert Vth1 und der Überschussstromerfassungsschwellenwert Vth2 sind vorbestimmte Spannungen.
Wenn das IGBT-Element 30a normal arbeitet, d. h., wenn der Strom nicht durch das FWD-Element 30b fließt, fließt der Strom vom IGBT-Messelement 33a zum Messwiderstand 102. Folglich ist die Potentialdifferenz Vs zwischen beiden Enden des Messwiderstands 102 dann, wenn das elektrische Potential des Emitter-Bereichs 15 im IGBT-Element 30a ein Referenzpotential aufweist, positiv. Demgegenüber fließt der Strom dann, wenn der Strom durch das FWD-Element 30b fließt, vom Messwiderstand 102 zum FWD-Messelement 33b. Folglich ist die Potentialdifferenz Vs zwischen beiden Enden des Messwiderstands 102 dann, wenn das Potential des Emitter-Bereichs 15 des IGBT-Elements 30a ein Referenzpotential aufweist, negativ. Folglich wird der Diodenstromerfassungsschwellenwert Vth1 derart eingestellt, dass er einen negativen Wert aufweist. Wenn der Überschussstrom durch das IGBT-Element 28 fließt, nimmt der Messstrom, der vom IGBT-Messelement 33a zum Messwiderstand 102 fließt, einen hohen Wert an. Folglich ist die Potentialdifferenz Vs zwischen beiden Enden des Messwiderstands 102 positiv und hoch. Demgemäß wird der Überschussstromerfassungsschwellenwert Vth2 derart eingestellt, dass er einen positiven Wert aufweist.
Wenn das IGBT-Element 30a angesteuert wird, erlaubt es das Rückkopplungselement 103, dass das PWM-Gate-Signal passiert, um an die UND-Schaltung 101 gegeben zu werden, so dass das Rückkopplungselement 103 ein Erlaubnissignal ausgibt. Ferner verbietet es das Rückkopplungselement 103, wie in 17 gezeigt, dann, wenn die Potentialdifferenz Vs geringer als der Diodenstromerfassungsschwellenwert Vth1 ist, oder wenn die Potentialdifferenz Vs über dem Stromerfassungsschwellenwert Vth2 liegt, dass das PWM-Gate-Signal passiert, um an die UND-Schaltung 101 gegeben zu werden, so dass das Rückkopplungselement 103 ein Verbotssignal ausgibt.
In einem normalen Zustand wird das PWM-Gate-Signal als ein Ansteuersignal zum Betreiben des IGBT-Elements 30a und des IGBT-Messelements 33a beispielsweise an der PWM-Signalerzeugungsschaltung als eine externe Schaltung erzeugt. Anschließend wird das PWM-Gate-Signal an die UND-Schaltung 101 gegeben. Wenn das FWD-Element 30b sperrt, fließt der Strom nicht durch das FWD-Messelement 33b. Folglich liegt das Potential von einem Ende des Messwiderstands 102, das mit dem Emitter-Bereich des IGBT-Messelements 33a verbunden ist, über dem Potential des anderen Endes des Messwiderstands 102, das mit dem Emitterbereich des IGBT-Elements 30a verbunden ist. Folglich wird die Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Messwiderstands 102 positiv. Hierbei ist das eine Ende des Messwiderstands 102 mit der Messkontaktstelle 34 des IGBT-Messelements 33a und das andere Ende des Messwiderstands 102 mit der Emitter-Elektrode 17 des IGBT-Elements 30a verbunden.
Da die Potentialdifferenz Vs, wie in 17 gezeigt, über dem Diodenstromerfassungsschwellenwert Vth1 liegt, bestimmt das Rückkopplungselement 103, dass der Strom nicht durch das FWD-Element 30b fließt. In diesem Fall weist der Ausgang des Rückkopplungselements 103, wie in 17 gezeigt, einen hohen Pegel auf. Das Signal hohen Pegels wird an die UND-Schaltung 101 gegeben. Wenn das PWM-Gate-Signal hohen Pegels und der Ausgang des Rückkopplungselements 103 an die UND-Schaltung 101 gegeben werden, passiert das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 101. Anschließend wird das PWM-Gate-Signal über den Gate-Widerstand 104 an die Gate-Elektrode von sowohl dem IGBT-Element 30a als auch dem IGBT-Messelement 33a gegeben. Folglich werden das IGBT-Element 30a und das IGBT-Messelement 33a eingeschaltet, so dass das IGBT-Element 30a und das IGBT-Messelement 33a betrieben werden. Der Strom fließt über die Last (nicht gezeigt), die mit der Kollektor-Elektrode 20 des IGBT-Elements 30a oder der Emitter-Elektrode 17 des IGBT-Elements 30a verbunden ist.
Wenn der Strom über das FWD-Element 30b fließt, steigt das Potential des einen Endes des Messwiderstands 102, das mit dem Anodenbereich des FWD-Elements 30b, d. h. der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, über das Potential des anderen Endes des Messwiderstands 102, das mit dem Anodenbereich des FWD-Messelements 33b, d. h. der Messkontaktstelle 34 verbunden ist. Folglich wird die Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Messwiderstands 102 negativ.
Folglich bestimmt das Rückkopplungselement 103, wie in 17 gezeigt, dann, wenn die Potentialdifferenz Vs geringer als der Diodenstromerfassungsschwellenwert Vth1 ist, dass die Strom durch das FWD-Element 30b fließt. Folglich gibt das Rückkopplungselement 103 das Verbotssignal aus, so dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 101 nicht passieren darf. Das Verbotssignal wird an die UND-Schaltung 101 gegeben.
Folglich stoppt das IGBT-Element 30a den Betrieb, da das Ansteuersignal von der UND-Schaltung 101 nicht an das IGBT-Element 30a gegeben wird. Das Gate-Signal nimmt den Wert Null an. Folglich arbeitet das IGBT-Element 30a dann nicht, wenn das FWD-Element 30b in einer Durchlassrichtung arbeitet.
Wenn der Überschussstrom durch das IGBT-Element 30a fließt, nimmt der Messstrom, der vom IGBT-Messelement 33a zum Messwiderstand 102 fließt, proportional zum Überschussstrom zu. Folglich wird die Potentialdifferenz Vs größer als die in einem Fall, in welchem das IGBT-Element 30a normal arbeitet.
Folglich bestimmt das Rückkopplungselement 103 dann, wenn die Potentialdifferenz Vs über dem Stromerfassungsschwellenwert Vth2 liegt, dass der Überschussstrom durch das IGBT-Element 30a fließt. Das Rückkopplungselement 103 gibt das Verbotssignal für das PWM-Gate-Signal, das an die UND-Schaltung 101 zu geben ist, aus, so dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 101 nicht passieren darf. Das Verbotssignal wird an die UND-Schaltung 101 gegeben.
Folglich hört das IGBT-Element 30a auf zu arbeiten, da das Ansteuersignal zur Ansteuerung des IGBT-Elements 30a nicht von der UND-Schaltung 101 eingegeben wird. Demgemäß beschädigt der Überschussstrom das IGBT-Element 30a nicht.
Bei dieser Ausführungsform weist die Vorrichtung 100 das Messelement 33, d. h. das FWD-Messelement 33b auf, durch welches der Strom proportional zum Strom im FWD-Element 30b fließt. Die Vorrichtung 100 führt wie folgt eine Regelung aus. Auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses des Messelements 33 wird die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode 12 des IGBT-Elements 30a gestoppt, während das FWD-Element 30b arbeitet. Das Ansteuersignal wird an die Gate-Elektrode gegeben, wenn das FWD-Element 30b nicht arbeitet. Der Hauptbereich 30 im Substrat 10 ist einer der in den 1 bis 13 gezeigten Bereiche. Insbesondere ist der kathodenseitige zweite Bereich 14b oberhalb des Kathodenbereichs 19 im Hauptbereich 30 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. Der erste Bereich 13 und der kathodenseitige zweite Bereich 14b dienen als der Anodenbereich des FWD-Elements 30b. Ferner ist kein Bereich hoher Störstellenkonzentration gleich dem Emitter-Bereich 15 im zweiten Bereich 14b vorhanden. Folglich wird das FWD-Element 30b nicht durch den Einfluss der Gate-Elektrode 12 beeinflusst, wenn das FWD-Element in Durchlassrichtung arbeitet.
Der obige Effekt wird nachstehend beschrieben. 18 zeigt eine Beziehung zwischen dem über das FWD-Element fließenden Strom und der Potentialdifferenz Vs. Die horizontale Achse in der 18 beschreibt den über das FWD-Element fließenden Strom. Insbesondere entspricht der Strom auf der horizontalen Achse in der 18 dem Strom, der entlang der Dickenrichtung des Substrats 10 fließt. In der 18 beschreibt die Richtung von der Rückseite zur Vorderseite des Substrats 10 eine positive Richtung. Folglich weist der Strom I nicht nur den Strom auf, der über das FWD-Element 30b fließt, sondern ebenso den Kollektorstrom des IGBT-Elements 30a. Eine gestrichelte Line in der 18 beschreibt eine Beziehung als ein Vergleichsbeispiel für einen Fall, in welchem das FWD-Element durch den Einfluss des Gate-Potentials sehr beeinflusst wird. Der Vergleichsfall sieht beispielsweise derart aus, dass der kathodenseitige zweite Bereich 14b oberhalb des Kathodenbereichs 19 und der kollektorseitige zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 in der 3 ein schwebendes Potential aufweisen. Alternativ ist der Emitter-Bereich 15 in einem Oberflächenabschnitt einer Gesamtheit der Basisschicht 11 gebildet, der dazu ausgelegt ist, als der Anodenbereich des FWD-Elements zu dienen.
In einem IGBT-Arbeitsbereich, in welchem der Strom I, der durch das Substrat 10 fließt, und die Potentialdifferenz Vs positiv sind, ist der Strom I, wie in 18 gezeigt, proportional zur Potentialdifferenz Vs. In einem FWD-Arbeitsbereich, in welchem der Strom I, der durch das Substrat 10 fließt, und die Potentialdifferenz Vs negativ sind, weist die gestrichelte Linie als Vergleichsergebnis eine schwache Linearität auf. Insbesondere weicht die Stromwellenform der gestrichelten Linie deutlich von einer geraden Linie ab. Insbesondere ändert sich die Potentialdifferenz Vs in einem Teil des FWD-Arbeitsbereichs deutlich bezüglich des Stroms I und treten abwechselnd eine Zunahme und eine Abnahme der Potentialdifferenz Vs auf. Dies liegt daran, dass das FWD-Element sehr durch den Einfluss des Gate-Potentials beeinflusst wird. Demgegenüber ist die Abweichung der Stromwellenform von der geraden Linie bei dieser Ausführungsform geringer als beim Vergleichsbeispiel, da der Einfluss des Gate-Potentials auf das FWD-Element 30b gering ist. Folglich wird die Linearität der durchgezogenen Linie verbessert. Ferner nimmt die Potentialdifferenz Vs in dem Teil des FWD-Arbeitsbereichs, in welchem die Linearität der gestrichelten Linie des Vergleichsbeispiels beschädigt ist, deutlich zu.
Da das Messelement 33, d. h. das FWD-Messelement 33b Strom führt, der proportional zum durch das FWD-Element 30b fließenden Strom ist, wird der Einfluss des Gate-Potentials auf das FWD-Element 30b auf das Messelement 33, d. h. das FWD-Messelement 33b reflektiert. Folglich wird die Abweichung bzw. Änderung des Erfassungsergebnisses des FWD-Messelements 33b bei der vorliegenden Ausführungsform verringert. Folglich wird die Regelung, d. h. die Eingabesteuerung des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode 12, mit hoher Genauigkeit ausgeführt. Die Durchlassspannung Vf des FWD-Elements 30b wird effektiv verringert.
Folglich wird vorzugsweise der Hauptbereich 30 in der Vorrichtung 100 für die Regelung mit dem FWD-Messelement 33b, d. h. dem Messelement 33, verwendet.
Bei dieser Ausführungsform liegt der Kathodenbereich 35 zur Bereitstellung des Messelements 33, d. h. des FWD-Messelements 33b, einer Seite des Messelements 33 gegenüber, die in der Draufsicht eine rechteckige Form aufweist. Alternativ kann der Kathodenbereich 35 derart ausgebildet sein, dass er mehreren Seiten des Messelements 33 gegenüberliegt, mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen. Insbesondere ist der Kathodenbereich 35 von mehreren Seiten der Rechteckform des Messelements 33 entlang einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung des Substrats beabstandet. In diesem Fall wird der Ausgang des FWD-Messelements 33b verbessert. Der Kathodenbereich 35 ist beispielsweise, wie in 19 gezeigt, derart C-förmig ausgebildet, dass er drei Seiten des Messelements 33 gegenüberliegt.
In dem Messbereich des Substrats 10 bildet ein Messelement 33 sowohl das IGBT-Messelement 33a als auch das FWD-Messelement 33b. Alternativ können das IGBT-Messelement 33a und das FWD-Messelement 33b, wie in 20 gezeigt, getrennt im Substrat 10 gebildet sein. In diesem Fall können das IGBT-Messelement 33a und das FWD-Messelement 33b jeweils mit verschiedenen Messwiderständen verbunden sein. Das Bezugszeichen 34a beschreibt die IGBT-Messkontaktstelle, das Bezugszeichen 34b beschreibt die FWD-Messkontaktstelle, und das Bezugszeichen 36 beschreibt eine Emitter-Messkontaktstelle.
Bei dieser Ausführungsform bildet das Messelement 33 sowohl das IGBT-Messelement 33a als auch das FWD-Messelement 33b. Alternativ kann die Vorrichtung 100 wenigstens ein FWD-Messelement 33b als das Messelement 33 aufweisen.
Der Messwiderstand 102 ist mit einer Emitterseite des IGBT-Messelements 33a und einer Anodenseite des FWD-Messelements 33b verbunden. Alternativ kann der Messwiderstand mit einer Kollektorseite des IGBT-Messelements 33a und einer Kathodenseite des FWD-Messelements 33b verbunden sein.
(Zehnte Ausführungsform)
21A zeigt eine Beziehung zwischen der Potentialdifferenz Vs und dem durch das FWD-Element fließenden Strom gemäß einer zehnten Ausführungsform. 21B zeigt die Beziehung gemäß einem Vergleichsbeispiel. 22 zeigt eine Beziehung zwischen der Potentialdifferenz Vs und dem Ausgang des Rückkopplungselements.
Der durch das Substrat 10 fließende Strom I ist, wie in 21A gezeigt, proportional zur Potentialdifferenz Vs, wenn der Strom I und die Potentialdifferenz Vs positiv sind. Wenn der Strom I negativ ist, d. h. wenn das FWD-Element 30b arbeitet, ist die Potentialdifferenz Vs bezüglich des Stroms I in einem Fall, in welchem das IGBT-Element 30a einschaltet bzw. leitend geschaltet wird (d. h. Vg = Ein) verschieden von derjenigen in einem Fall, in welchem das IGBT-Element ausschaltet bzw. sperrt (d. h. Vg = Aus). Folglich wird die Stromwellenform in Übereinstimmung mit dem Gate-Potential Vg geändert.
Insbesondere fließt der Strom dann, wenn er durch das FWD-Element 30b fließt und das IGBT-Element 30a einschaltet (d. h. Vg = Ein in der 21A), vom IGBT-Messelement 33a in den Messwiderstand 102. Folglich nimmt die Potentialdifferenz Vs zwischen beiden Enden des Messwiderstands 102 einen geringen Wert an (d. h. ein Absolutwert der Potentialdifferenz Vs nimmt einen hohen Wert an). Demgegenüber fließt der Strom dann, wenn er durch das FWD-Element 30b fließt und das IGBT-Element 30a sperrt (d. h. Vg = Aus in der 21A), in Übereinstimmung mit dem durch das FWD-Element 30 fließenden Strom durch den Messwiderstand 102. Folglich wird die Potentialdifferenz Vs größer als in einem Fall, in welchem der IGBT einschaltet (d. h. ein Absolutwert der Potentialdifferenz Vs nimmt einen geringen Wert an).
Bei den in den 1 bis 13 gezeigten Vorrichtungen nimmt die Potentialdifferenz Vs, wie in 18 gezeigt, einen hohen Wert an, wenn das IGBT-Element 30a einschaltet, und nimmt die Potentialdifferenz Vs einen geringen Wert an, wenn das IGBT-Element 30a sperrt. Es ist jedoch schwierig, die Potentialdifferenz Vs auszugleichen, da sie durch den Einfluss der Gate-Interferenz beeinflusst wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Vorrichtung zwei Diodenstromerfassungsschwellenwerte H1 und H2 auf, um eine Eingangszustandssteuerung (d. h. Regelung) des Ansteuersignals für die Gate- Elektrode 12 mit hoher Genauigkeit auszuführen. Das Rückkopplungselement 103 speichert beispielsweise zwei Diodenstromerfassungsschwellenwerte H1, H2.
Das Rückkopplungselement 103 weist einen ersten Diodenstromerfassungsschwellenwert H1 (d. h. den ersten Schwellenwert) basierend auf den Eigenschaften im FWD-Arbeitsbereich der 21A auf. Der erste Schwellenwert entspricht der Potentialdifferenz Vs, wenn der durch das FWD-Element 30b fließende Strom ein erster Strom If1 ist. Ferner weist das Rückkopplungselement 103 einen zweiten Diodenstromerfassungsschwellenwert H2 (d. h. den zweiten Schwellenwert) auf, der über dem ersten Schwellenwert H1 liegt. Der zweite Schwellenwert H2 entspricht der Potentialdifferenz Vs, wenn der durch das FWD-Element 30b fließende Strom ein zweiter Strom If2 ist, der größer als der erste Strom If1 ist. Hierbei ist ein Absolutwert des zweiten Stroms If2 geringer als ein Absolutwert des ersten Stroms If1.
Der erste und der zweite Schwellenwert H1 und H2 werden wie folgt eingestellt. Zunächst wird das in der 21A gezeigte Verhältnis zwischen dem Strom I und der Potentialdifferenz Vs gemessen und erhalten. Anschließend wird der erste Strom If1 auf der Grundlage des in der 21A gezeigten Verhältnisses bestimmt. Anschließend wird der zweite Strom If2 derart bestimmt, dass er größer als der erste Strom If1 ist. Der erste und der zweite Strom If1 und If2 betragen ungefähr 10% eines Nennstroms, so dass der erste und der zweite Strom If1 und If2 nahe einem unteren Grenzwert in einem gewöhnlichen Arbeitsbereich liegen. Wenn das IGBT-Element einschaltet, d. h. bei Vg = Ein, wird die Potentialdifferenz Vs bezüglich des ersten Stroms If1 derart eingestellt, dass sie dem ersten Schwellenwert H1 entspricht. Wenn das IGBT-Element ausschaltet bzw. sperrt (d. h. Vg = Aus), wird die Potentialdifferenz Vs bezüglich des zweiten Stroms If2 derart eingestellt, dass sie dem zweiten Schwellenwert H2 entspricht. Auf diese Weise werden der erste und der zweite Schwellenwert H1 und H2 im Rückkopplungselement 103 eingestellt.
Insbesondere vergleicht das Rückkopplungselement 103 die Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 102 mit dem ersten und dem zweiten Schwellenwert H1 und H2. Wenn die Potentialdifferenz Vs, wie in 22 gezeigt, zu einer negativen Seite geändert wird, oder wenn die Potentialdifferenz Vs verringert oder in Richtung der negativen Seite geändert wird, vergleicht das Rückkopplungselement 103 die Potentialdifferenz Vs mit dem ersten Schwellenwert H1, so dass das Rückkopplungselement 103 bestimmt, ob der Betrieb des IGBT-Elements 30a zulässig ist. Wenn die Potentialdifferenz Vs über dem ersten Schwellenwert H1 liegt, erlaubt es das Rückkopplungselement 103, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 101 passiert, wobei das Signal von der externen Schaltung an die UND-Schaltung 101 gegeben wird. Folglich erlaubt das Rückkopplungselement 103 den Betrieb des IGBT-Elements 30a. Wenn die Potentialdifferenz Vs geringer als der erste Schwellenwert H1 ist, erlaubt es das Rückkopplungselement 103 nicht, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 101 passiert, wobei das Signal von der externen Schaltung an die UND-Schaltung 101 gegeben wird. Folglich verbietet es das Rückkopplungselement 103, dass das Signal passiert, so dass das Rückkopplungselement 103 die Ansteuerung des IGBT-Elements 30a stoppt.
Wenn die Potentialdifferenz Vs zu einer positiven Seite geändert wird, d. h. wenn die Potentialdifferenz Vs zunimmt oder in Richtung der positiven Seite geändert wird, vergleicht das Rückkopplungselement 102 die Potentialdifferenz Vs mit dem zweiten Schwellenwert H2, so dass das Rückkopplungselement 103 bestimmt, ob der Betrieb des IGBT-Elements 30a zulässig ist. Wenn die Potentialdifferenz Vs über dem zweiten Schwellenwert H2 liegt, erlaubt es das Rückkopplungselement 103, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 101 passiert, wobei das Signal von der externen Schaltung an die UND-Schaltung 101 gegeben wird. Folglich erlaubt das Rückkopplungselement 103 den Betrieb des IGBT-Elements 30a. Wenn die Potentialdifferenz Vs geringer als der zweite Schwellenwert H2 ist, erlaubt es das Rückkopplungselement 103 nicht, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 101 passiert, wobei das Signal von der externen Schaltung an die UND-Schaltung 101 gegeben wird. Folglich verbietet es das Rückkopplungselement 103, dass das Signal passiert, so dass das Rückkopplungselement 103 die Ansteuerung des IGBT-Elements 30a stoppt.
Das Rückkopplungselement 103 steuert das Passieren des PWM-Gate-Signals in der UND-Schaltung 101, wie in 22 gezeigt, in Übereinstimmung mit der Änderungsrichtung des Gate-Potentials Vg im IGBT-Element 30a mit einer Hysteresekennlinie. Wenn die Potentialdifferenz Vs über dem Überschussstromerfassungsschwellenwert Vth2 liegt, verbietet es das Rückkopplungselement 103, dass das PWM-Gate-Signal passiert, um an die UND Schaltung 101 gegeben zu werden, so dass das Rückkopplungselement 103 das IGBT-Element 30a, gleich der neunten Ausführungsform, davor schützt, durch den Überschussstrom beschädigt zu werden.
Wenn die Potentialdifferenz Vs, wie in 22 gezeigt, in Richtung der negativen Seite geändert wird und die Potentialdifferenz Vs unter den ersten Schwellenwert H1 fällt, wird der Ausgang des Rückkopplungselements 103 zu einem Signal niedrigen Pegels. Folglich sperrt das IGBT-Element 30a. Die Potentialdifferenz Vs weist, wie in 21A gezeigt, die als „Vg = AUS” gezeigte Kennlinie auf, wobei die Potentialdifferenz Vs einen hohen Wert annimmt, d. h. der Absolutwert der Potentialdifferenz einen geringen Wert annimmt. Die Potentialdifferenz Vs nimmt einen Wert an, der einem Schnittpunkt zwischen dem ersten Strom If1 entsprechend dem ersten Schwellenwert H1 und der Stromwellenform von „Vg = AUS” entspricht. Insbesondere nimmt die Potentialdifferenz Vs einen Wert des in der 21A gezeigten schwarzen Kreises an. Dieser Wert liegt in einem Bereich zwischen dem zweiten Schwellenwert H2 und dem ersten Schwellenwert H1 und überschreitet den zweiten Schwellenwert H2 nicht. Folglich schaltet das IGBT-Element 30a nicht erneut ein und bleibt in einem Aus-Zustand. Auf diese Weise wird ein Schwingen des IGBT-Elements 30a, bei welchem das IGBT-Element 30a wiederholt ein- und ausschaltet, verhindert.
Der obige Zustand entspricht dem in einem Fall, in welchem das IGBT-Element 30a vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand schaltet. Wenn die Potentialdifferenz Vs, wie in 22 gezeigt, in Richtung der positiven Seite geändert wird und den zweiten Schwellenwert H2 überschreitet, nimmt der Ausgang des Rückkopplungselements 103 einen hohen Pegel an, so dass das IGBT-Element 30a einschaltet. Folglich weist die Potentialdifferenz Vs, wie in 21A gezeigt, die Eigenschaften von „Vg = EIN” auf. Die Potentialdifferenz Vs nimmt einen geringen Wert an, d. h. der Absolutwert der Potentialdifferenz Vs nimmt einen hohen Wert an. Die Potentialdifferenz Vs fällt jedoch nicht unter den ersten Schwellenwert H1. Folglich nimmt der Ausgang des Rückkopplungselements 103, wie in 21A gezeigt, keinen niedrigen Pegel an, da die Potentialdifferenz Vs bezüglich des zweiten Stroms If2 nicht unter den ersten Schwellenwert H1 fällt. Folglich bleibt das IGBT-Element 30a im Ein-Zustand.
Dadurch, dass zwei Schwellenwerte H1 und H2 verwendet werden, wird ein Schwingen, d. h. eine Fehlfunktion des Gates des IGBT-Elements 30a verhindert. Wenn das Gate des IGBT-Elements 30a schwingt, wird das IGBT-Element 30a wiederholt leitend und sperrend geschaltet.
Bei dieser Ausführungsform entspricht der Hauptbereich 30, ähnlich der neunten Ausführungsform, demjenigen der in den 1 bis 13 gezeigten Vorrichtungen. Der Einfluss des Gate-Potentials auf das FWD-Element 30b ist gering. Folglich wird die Linearität der Stromwellenform im Ein-Zustand des IGBT-Elements 30a (d. h. die durch „Vg = EIN” gekennzeichnete Kurve) im Arbeitsbereich des FWD-Elements 30b, wie in 21A gezeigt, verbessert. Folglich können der erste und der zweite Strom If1 und If2 in einem Bereich eines normalen Arbeitsbereichs des FWD-Elements 30b eingestellt werden. Insbesondere können der erste und der zweite Strom If1 und If2 nahe dem unteren Grenzwert eingestellt werden. Hierbei ist der Bereich eines normalen Arbeitsbereichs des FWD-Elements 30b ein Bereich zwischen 10 und 50% eines Nennstroms.
In der 21B als Vergleichsbeispiel wird die FWD 30b, ähnlich dem Vergleichsergebnis in der 18, im Hauptbereich 30 deutlich durch den Einfluss des Gate-Potentials beeinflusst. Die Vergleichsvorrichtung wird beispielsweise derart erhalten, dass der kathodenseitige zweite Bereich 14b oberhalb des Kathodenbereichs 19 zusammen mit dem kollektorseitigen zweiten Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 das schwebende Potential in der 3 aufweist. Insbesondere wird die Vergleichsvorrichtung derart bereitgestellt, dass der Emitter-Bereich 15 in einem Oberflächenabschnitt einer Gesamtheit der Basisschicht 11 gebildet wird, der dazu ausgelegt ist, als der Anodenbereich des FWD-Elements zu arbeiten. Im Arbeitsbereich des FWD-Elements 30b weicht die Stromwellenform im Ein-Zustand des IGBT-Elements 30a (d. h. die als „Vg = EIN” gezeigte Stromkennlinie), wie in 21B gezeigt, deutlich von einer geraden Linie ab. Diese Störung der Stromwellenform wird im normalen Arbeitsbereich des FWD-Elements 30B erzeugt. Folglich fällt dann, wenn der erste und der zweite Strom If1 und If2 derart eingestellt werden, dass sie die gleichen Werte wie bei der vorliegenden Ausführungsform aufweisen, wie in 21B gezeigt, ein Teil der Kennlinie von „Vg = EIN” unter den ersten Schwellenwert H1 und überschreitet ferner ein Teil der Kennlinie von „Vg = AUS” den zweiten Schwellenwert H2. Folglich schaltet das Gate des IGBT-Elements 30a, obgleich die zwei Schwellenwerte H1 und H2 eingestellt werden, wiederholt ein und aus.
Um das IGBT-Element 30a vor einer Fehlfunktion zu schützen, wird in Betracht gezogen, dass die Ströme If1 und If2 derart eingestellt werden, dass sie kleiner als der normale Arbeitsbereich sind, so dass die Absolutwerte der Ströme If1 und If2 über dem normalen Arbeitsbereich liegen, oder dass die Ströme If1 und If2 derart eingestellt werden, dass sie über dem normalen Arbeitsbereich liegen, so dass der Absolutwert der Ströme If1 und If2 kleiner als der normale Arbeitsbereich sind. Wenn die Ströme If1 und If2 jedoch derart eingestellt werden, dass sie kleiner als der normale Arbeitsbereich sind, liegen die Absolutwerte der Ströme If1 und If2 im Nennstrombereich über dem normalen Arbeitsbereich, so dass die Regelung des IGBT-Elements 30a nicht im normalen Arbeitsbereich ausgeführt wird. Folglich nimmt der Verlust in Durchlassrichtung zu. Wenn die Ströme If1 und If2 derart eingestellt werden, dass die über dem normalen Arbeitsbereich liegen, werden die Ströme If1 und If2 um 0 A herum eingestellt, so dass der Absolutwert der Ströme If1 und If2 gering ist. Folglich wird das IGBT-Element 30a leicht durch hochfrequentes Rauschen beeinflusst, so dass es schwierig ist, einen Schaltplan für die Vorrichtung zu designen.
Folglich wird das Schwingen des Gates des IGBT-Elements 30a, d. h. die Fehlfunktion des Gates des IGBT-Elements 30a, bei welchem das Gate wiederholt ein- und ausschaltet, bei der vorliegenden Ausführungsform verhindert. Ferner wird die Zunahme der Durchlassspannung Vf des FWD-Elements beschränkt und wird das IGBT-Element 30a nicht leicht durch das hochfrequente Rauschen beeinflusst.
Bei dieser Ausführungsform weist das Rückkopplungselement 103 den ersten und den zweiten Schwellenwert H1 und H2 auf. Alternativ kann die Vorrichtung, wie in 23 gezeigt, ein Schwellenwerteinstellelement 105 aufweisen. Das Schwellenwerteinstellelement 105 vergleicht das Gate-Potential Vg mit einem dritten Schwellenwert H3, gibt den ersten Schwellenwert H1 an das Rückkopplungselement 103, wenn das Gate-Potential den dritten Schwellenwert H3 überschreitet, und gibt den zweiten Schwellenwert H2 an das Rückkopplungselement 103, wenn das Gate-Potential den dritten Schwellenwert H3 nicht überschreitet. In diesem Fall vergleicht das Rückkopplungselement 103 den ersten oder den zweiten Schwellenwert H1, H2 mit der Potentialdifferenz Vs. 23 zeigt eine Modifikation der Rückkopplungsschaltung, welche die Halbleitervorrichtung 100 aufweist.
Bei dieser Ausführungsform werden der erste und der zweite Schwellenwert H1 und H2 auf der Grundlage des ersten und des zweiten Stroms If1 und If2 eingestellt. Alternativ können der erste und der zweite Schwellenwert H1 und H2 dann, wenn das Verhältnis zwischen dem Strom I und der Potentialdifferenz Vs gemessen und erhalten wurde, derart eingestellt werden, dass die Potentialdifferenz Vs in einem Fall von „Vg = EIN” nicht geringer als der erste Schwellenwert H1 ist, und dass die Potentialdifferenz Vs in einem Fall von „Vg = AUS” nicht größer als der zweite Schwellenwert H2 ist. Insbesondere liegt die Potentialdifferenz Vs selbst dann in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert H1 und H2, wenn sich die Potentialdifferenz Vs bei Vg = EIN verringert und bei Vg = AUS erhöht.
Bei den obigen Ausführungsformen weist die Halbleitervorrichtung 100 die Feldstoppschicht 21 auf. Alternativ können das IGBT-Element 30a und das IGBT-Messelement ein Punch-Through-IGBT oder ein Non-Punch-Through-IGBT sein.
Das IGBT-Element 30a ist derart als n-Kanal-IGBT ausgebildet, dass der erste Leitfähigkeitstyp der n-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp der p-Leitfähigkeitstyp ist. Alternativ kann das IGBT-Element 30a ein p-Kanal-IGBT sein, so dass der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Leitfähigkeitstyp ist.
Bei den Ausführungsformen ist der kollektorseitige zweite Bereich 14a mit dem schwebenden Potential in einer Gesamtheit des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 gebildet. Der kathodenseitige zweite Bereich 14b, der mit dem Emitter verbunden ist, ist in einer Gesamtheit des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 gebildet. Alternativ weisen mehrere zweite Bereiche 14 die kollektorseitigen zweiten Bereiche 14a mit dem schwebenden Potential und die kathodenseitigen zweiten Bereiche 14b, die mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden sind, auf, kann wenigstens ein Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden sein, und kann wenigstens ein Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 das schwebende Potential aufweisen. So kann beispielsweise, wie in 24 gezeigt, nur ein Teil des zweiten Bereichs 14, der oberhalb des Kollektorbereichs 18 angeordnet, den kollektorseitigen zweiten Bereich 14a1 bilden, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, und kann der andere Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 den kollektorseitigen zweiten Bereich 14a mit dem schwebenden Potential bilden. Insbesondere ist in der 24 nur ein kollektorseitiger zweiter Bereich 14a1 benachbart zur Grenzfläche zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem Kathodenbereich 19 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. In der 25 bildet nur ein Teil des zweiten Bereichs 14, der oberhalb des Kathodenbereichs 19 angeordnet ist, den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b1 mit dem schwebenden Potential, und bildet der andere Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist. Insbesondere weist in der 25 nur ein kathodenseitiger zweiter Bereich 14b1 benachbart zur Grenzfläche zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem Kathodenbereich 19 das schwebende Potential auf. Die 24 und 25 stellen Modifikationen der ersten Ausführungsform bereit.
Wenn der andere Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18, wie in 24 gezeigt, den kollektorseitigen zweiten Bereich 14a mit dem schwebenden Potential bildet, wird das Loch selbst dann nicht über den kollektorseitigen zweiten Bereich 14a zur Emitter-Elektrode 17 entladen, wenn das Ansteuersignal an die Gate-Elektrode 12 gegeben wird und der Kanal unterhalb des Emitter-Bereichs 15 im ersten Bereich gebildet wird. Folglich wird das Loch im Substrat 10 gesammelt. Auf diese Weise wird die Durchlassspannung des IGBT-Elements verringert. Ferner ist nur der Teil des zweiten Bereichs oberhalb des Kollektorbereichs 18 und in einem bestimmten Abstand von der Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich 19 und dem Kollektorbereich 18 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. Folglich wird der Strompfad des FWD-Elements verkürzt und die Durchlassspannung Vf des FWD-Elements verringert.
Wenn der andere Teil des zweiten Bereichs 14, der oberhalb des Kathodenbereichs 19 angeordnet ist, wie in 25 gezeigt, den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b bildet, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, dient der andere Teil des zweiten Bereichs 14 zusammen mit dem ersten Bereich 13 als der Anodenbereich des FWD-Elements. Folglich ist die Fläche des Bereichs, der dazu ausgelegt ist, als der Anodenbereich der FWD zu arbeiten, verglichen mit einem Fall, in welchem nur der erste Bereich 13 als der Anodenbereich dient, größer. Ferner wird der Strompfad des FWD-Elements verglichen mit einem Fall, in welchem der zweite Bereich 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 den Anodenbereich bildet, verkürzt, da der andere Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist und den Anodenbereich bildet und der Abstand zwischen den anderen Teil und dem Kathodenbereich 19 kürzer als der kollektorseitige zweite Bereich 14a und der andere Teil ist. Folglich wird die Durchlassspannung Vf des FWD-Elements verringert. Ferner weist nur der Teil des zweiten Bereichs 14, der oberhalb des Kathodenbereichs 19 und in einem bestimmen Abstand von der Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich 19 und dem Kollektorbereich 18 angeordnet ist, das schwebende Potential auf. Folglich wird der Strompfad des IGBT-Elements verkürzt und die Durchlassspannung Von des IGBT-Elements verringert.
In der 24 weist der andere Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 das schwebende Potential auf, ist der Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden und ist der gesamte zweite Bereich 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden. In der 25 ist der andere Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden, weist der Teil des zweiten Bereichs 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 das schwebende Potential auf und weist der gesamte zweite Bereich 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 das schwebende Potential auf. Alternativ kann der zweite Bereich 14 oberhalb des Kollektorbereichs 18 den kollektorseitigen zweiten Bereich 14a mit dem schwebenden Potential und den kollektorseitigen zweiten Bereich 14a1, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, aufweisen, und kann der zweite Bereich 14 oberhalb des Kathodenbereichs 19 den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b, der mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, und den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b1 mit dem schwebenden Potential aufweisen.
26 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in der 26 gezeigte Vorrichtung ähnelt der in der 11 gezeigten Vorrichtung. Der Unterschied liegt darin, dass der kollektorseitige zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 in der 26 elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, so dass eine Spiegelkapazität verringert wird. Folglich wird die Schaltgeschwindigkeit eines RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) verbessert.
Ferner ist die n-Wanne als die n-leitende Halbleiterschicht 26 unterhalb des Emitter-Bereichs 15 und der Basisschicht 11 als p-Wanne angeordnet. Folglich wird verhindert, dass Löcher herauswandern, wenn der IGBT einschaltet. Demgemäß werden die Durchlassspannung Von und die Durchlassspannung Vf verringert, wobei der Einfluss des Potentials in der Gate-Elektrode 12 vermieden wird. Ferner wird, da die n-leitende Halbleiterschicht 26 nicht an die Seitenwand des Grabens grenzt, die Zunahme des elektrischen Feldes nahe dem Graben beschränkt, so dass die Durchbruchspannung verbessert wird.
27 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in der 27 gezeigte Vorrichtung ähnelt der in der 26 gezeigten Vorrichtung. Der Unterschied liegt darin, dass die n-leitende Halbleiterschicht 26 an die Seitenwand des Grabens grenzt. Insbesondere ist die n-leitende Halbleiterschicht 26 in einer Gesamtheit eines aktiven Bereichs angeordnet, der in der Basisschicht 11 angeordnet ist. In diesem Fall wird verhindert, dass Löcher über eine Grenzfläche zwischen dem Graben und der n-leitenden Halbleiterschicht 26 zur Basisschicht 11 wandern. Folglich ist eine Spiegelkapazität gering und werden die Ladungsträger effektiv gesammelt.
28 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in der 28 gezeigte Vorrichtung ähnelt der in der 5 gezeigten Vorrichtung. Der Unterschied liegt darin, dass die n-leitende Halbleiterschicht 26 in einer Gesamtheit des ersten Bereichs 13 angeordnet ist. Folglich bildet die n-leitende Halbleiterschicht 26 den Ladungsträgersammeleffekt, so dass die Durchlassspannung verringert wird.
29 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in der 29 gezeigte Vorrichtung ähnelt der in der 28 gezeigten Vorrichtung. Der Unterschied liegt darin, dass der kollektorseitige zweite Bereich 14a oberhalb des Kollektorbereichs 18 in der 29 elektrisch mit der Emitter-Elektrode 17 verbunden ist, so dass eine Spiegelkapazität verringert wird. Folglich wird die Schaltgeschwindigkeit eines RC-IGBT (Reverse Conducting IGBT) verbessert.
30 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in der 30 gezeigte Halbleitervorrichtung ähnelt der in der 27 gezeigten Vorrichtung. Der Unterschied liegt darin, dass die n-leitende Halbleiterschicht 26 nur im zweiten Bereich 14 mit den kollektorseitigen zweiten Bereichen 14a und den kathodenseitigen zweiten Bereich 14b gebildet ist. Folglich wird eine Spiegelkapazität verringert und ferner verhindert, dass Löcher herauswandern, so dass der Lochanhäufungseffekt aufrechterhalten wird. Demgemäß werden die Durchlassspannung und ebenso der Schaltverlust verringert. Ferner wird ebenso verhindert, dass eine Stoßdurchbruchspannung verringert wird, da die n-leitende Halbleiterschicht 26 nicht im ersten Bereich 13 gebildet ist, so dass verhindert wird, dass die Durchbruchspannung einer Zelle verringert wird.
31 zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in der 31 gezeigte Vorrichtung ähnelt der in der 27 gezeigten Vorrichtung. Der Unterschied liegt darin, dass die n-leitende Halbleiterschicht 26 nur in den kollektorseitigen zweiten Bereichen 14a gebildet ist. Folglich wird eine Spiegelkapazität verringert und wird ferner verhindert, dass Löcher herauswandern, so dass der Lochanhäufungseffekt aufrechterhalten wird. Folglich werden die Durchlassspannung und ebenso der Schaltverlust verringert. Ferner wird die Schaltgeschwindigkeit der FWD verbessert, da die n-leitende Halbleiterschicht 26 nicht in den kathodenseitigen zweiten Bereichen 14b gebildet ist.
Die obige Offenbarung weist die folgenden Ausgestaltungen auf.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung weist eine Halbleitervorrichtung auf: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten und einer zweiten Seite; ein IGBT-Element für einen Stromfluss in einer Dickenrichtung des Substrats, wobei das IGBT-Element im Substrat angeordnet ist, der IGBT einen Kollektorbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und der Kollektorbereich in einem Oberflächenabschnitt der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist; ein FWD-Element mit einem Kathodenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kathodenbereich derart in einem anderen Oberflächenabschnitt der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, dass der Kathodenbereich entlang einer parallelen Richtung des Substrats benachbart zum Kollektorbereich angeordnet ist; eine Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Seite des Substrats angeordnet ist; mehreren Graben-Gate-Strukturen, von denen jede einen Graben auf der ersten Seite des Substrats und über einen Isolierfilm einen leitfähigen Film im Graben aufweist. Die Basisschicht wird durch die Graben-Gate-Strukturen in mehrere erste und zweite Bereiche unterteilt. Die Graben-Gate-Strukturen weisen eine Gate-Elektrode im IGBT-Element auf. Jeder erste Bereich weist einen Emitterbereich im IGBT-Element auf. Jeder Emitterbereich ist in einem Oberflächenabschnitt des ersten Bereichs angeordnet, grenzt an die Gate-Elektrode, weist den ersten Leitfähigkeitstyp auf und weist eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat auf. Jeder zweite Bereich weist den Emitterbereich nicht auf. Jeder erste Bereich ist zusammen mit dem Emitterbereich elektrisch mit einer Emitter-Elektrode im IGBT-Element verbunden. Die ersten Bereiche weisen einen kollektorseitigen ersten Bereich und einen kathodenseitigen ersten Bereich auf. Der kollektorseitige erste Bereich ist oberhalb des Kollektorbereichs und der kathodenseitige erste Bereich oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet. Die zweiten Bereiche weisen einen kollektorseitigen zweiten Bereich und einen kathodenseitigen zweiten Bereich auf. Der kollektorseitige zweite Bereich ist oberhalb des Kollektorbereichs und der kathodenseitige zweite Bereich oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet. Wenigstens ein Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs ist elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden. Wenigstens ein Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs weist ein schwebendes Potential auf.
Bei der obigen Vorrichtung dienen mehrere erste Bereiche oberhalb des Kollektorbereichs und des Kathodenbereichs als ein Kanal des IGBT-Elements und eine Anode des FWD-Elements. Folglich ist ein Teil des FWD-Elements im IGBT-Element integriert. Dies führt dazu, dass dann, wenn die Durchlassspannung des IGBT derart eingestellt wird, dass sie eine vorbestimmte Spannung aufweist, die Abmessungen der Vorrichtung verringert werden.
Ferner ist der Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden. Folglich dient der Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs zusammen mit den ersten Bereichen als eine Anode des FWD-Elements. Folglich wird die als die Anode dienende Fläche groß. Ferner wird ein Strompfad der FWD verkürzt. Ferner weisen der zweite Bereich und das Substrat selbst dann nicht das gleiche Potential auf, wenn das Ansteuersignal an die Gate-Elektrode gegeben wird, da der Emitter-Bereich des IGBT im zweiten Bereich nicht vorhanden ist. Folglich wird der zweite Bereich nicht durch den Einfluss der Gate-Elektrode beeinflusst. Dies führt dazu, dass die Durchlassspannung der FWD verringert wird.
Ferner wandern Löcher selbst dann nicht über den zweiten Bereich zur Emitter-Elektrode zurück, wenn das Ansteuersignal derart an die Gate-Elektrode gegeben wird, dass der Kanal unterhalb des Emitter-Bereichs im ersten Bereich gebildet wird, da der Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs ein schwebendes Potential aufweist. Folglich wird das Loch im Substrat gesammelt. Da die ersten Bereiche nicht nur oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind, sondern ebenso oberhalb des Kollektorbereichs, wird die Fläche des IGBT-Elements groß. Folglich wird die Durchlassspannung des IGBT-Elements verringert.
Alternativ kann die Halbleitervorrichtung ferner aufweisen: ein Messelement für einen Stromfluss über das Messelement; und eine Rückkopplungsschaltung, wobei das Substrat ferner einen Hauptbereich und einen Messbereich aufweist, das IGBT-Element und das FWD-Element in dem Hauptbereich angeordnet sind, der Messbereich eine Fläche aufweist, die geringer als die des Hauptbereichs ist, der durch Messelement fließende Strom proportional zum durch das FWD-Element fließenden Strom ist, das Messelement in dem Messbereich angeordnet ist, die Rückkopplungsschaltung auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses des Messelement bestimmt, ob sich das FWD-Element in einem Operationszustand oder in einem Nicht-Operationszustand befindet, die Rückkopplungsschaltung eine Eingabe eines Ansteuersignals an die Gate-Elektrode blockiert, wenn sich das FWD-Element in dem Operationszustand befindet, und die Rückkopplungsschaltung die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode durchlässt, wenn sich das FWD-Element in dem Nicht-Operationszustand befindet. In diesem Fall arbeitet der IGBT dann, wenn die FWD arbeitet, nicht, so dass die Durchlassspannung des FWD-Elements verringert wird.
In dem Hauptbereich ist der Teil des zweiten Bereichs oberhalb des Kathodenbereichs elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden, so dass der Teil des zweiten Bereichs zusammen mit den ersten Bereichen als die Anode des FWD-Elements arbeitet. Ferner ist kein Bereich hoher Störstellenkonzentration, wie beispielsweise der Emitter-Bereich, im zweiten Bereich vorhanden, so dass das FWD-Element nicht durch den Einfluss des Gate-Potentials beeinflusst wird, wenn die FWD in Durchlassrichtung arbeitet. Der Einfluss des Gate-Potentials auf das FWD-Element wird auf das Messelement reflektiert. Im vorliegenden Fall wird eine Abweichung des Erfassungsergebnisses des Messelements verringert, da der Einfluss des Gate-Potentials auf das FWD-Element gering ist. Folglich wird die Regelung des an die Gate-Elektrode gegebenen Ansteuersignals genau ausgeführt. Auf diese Weise wird die Durchlassspannung des FWD-Elements effektiv verringert.
Alternativ kann die Halbleitervorrichtung ferner einen Messwiderstand aufweisen, der mit dem Messelement verbunden ist, wobei die Rückkopplungsschaltung einen ersten Schwellenwert und einen zweiten Schwellenwert aufweist, die zur Bestimmung verwendet werden, ob über das FWD-Element Strom fließt, der erste Schwellenwert einer Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Messwiderstands entspricht, wenn sich das IGBT-Element in einem Ein-Zustand befindet und durch das Substrat fließender Strom ein vorbestimmter erster Strom ist, der zweite Schwellenwert der Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Messwiderstands entspricht, wenn sich das IGBT-Element in einem Aus-Zustand befindet und der durch das Substrat fließende Strom ein vorbestimmter zweiter Strom ist, der zweite Strom größer als der erste Strom ist und der zweite Schwellenwert über dem ersten Schwellenwert liegt, die Rückkopplungsschaltung die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Messwiderstands mit dem ersten oder dem zweiten Schwellenwert vergleicht, die Rückkopplungsschaltung die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode durchlässt, bis die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Messwiderstands unter den ersten Schwellenwert fällt, und die Rückkopplungsschaltung die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode blockiert, bis die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Messwiderstands den zweiten Schwellenwert überschreitet. Hierbei können der erste und der zweite Schwellenwert negativ sein. In diesem Fall wird die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode dann verhindert, wenn die Potentialdifferenz von einer positiven Seite zu einer negativen Seite verringert wird und unter den ersten Schwellenwert fällt. Obgleich die Potentialdifferenz hoch ist, überschreitet die Potentialdifferenz den zweiten Schwellenwert nicht, so dass das IGBT-Element nicht erneut einschaltet. Wenn die Potentialdifferenz von der negativen Seite zur positiven Seite zunimmt, wird die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode erlaubt. Diese Erlaubnis der Eingabe führt dazu, dass das IGBT-Element eingeschaltet wird. Obgleich die Potentialdifferenz einen geringen Wert annimmt, fällt sie nicht unter den ersten Schwellenwert. Folglich sperrt das IGBT-Element nicht erneut. Auf diese Weise wird das Wiederholte Ein- und Ausschalten des IGBT-Elements beschränkt. Da der Hauptbereich den obigen Aufbau aufweist und der Einfluss des Gate-Potentials auf das FWD-Element gering ist, wird die Linearität der Stromwellenform des IGBT-Elements im Ein-Zustand verbessert, wenn das FWD-Element arbeitet. Folglich wird die Abweichung bzw. Änderung des Erfassungsergebnisses des Messelements verringert. Demgemäß werden der erste und der zweite Strom derart eingestellt, dass sie in einem normalen Arbeitsbereich liegen. Die Zunahme der Durchlassspannung des FWD-Elements wird beschränkt. Ferner wird der Einfluss von hochfrequentem Rauschen verglichen mit einem Fall, in welchem der erste und der zweite Strom derart eingestellt werden, dass sie außerhalb des normalen Arbeitsbereichs liegen, verringert.
Alternativ kann ein gesamter Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden sein und ein gesamter Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs ein schwebendes Potential aufweisen. In diesem Fall wird die als die Anode des FWD-Elements dienende Fläche groß. Ferner wandern Löcher nicht über den zweiten Bereich oberhalb des Kollektorbereichs zur Emitter-Elektrode. Folglich wird die Durchlassspannung des IGBT-Elements deutlich verringert.
Alternativ können alle der Graben-Gate-Strukturen die Gate-Elektrode in dem IGBT-Element bilden. Die Gate-Elektrode weist mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden auf, die in einem Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind. Der Teil der Basisschicht ist innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich und dem Kollektorbereich angeordnet, und ein verbleibender Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs bildet den kathodenseitigen zweiten Bereich, der elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden ist. In diesem Fall wird die als die Anode dienende Fläche groß, so dass die Durchlassspannung des FWD-Elements deutlich verringert wird. Ferner nimmt die Fläche des zweiten Bereichs, die nicht durch den Einfluss des Gate-Potentials beeinflusst wird, zu. Folglich wird die Zunahme der Durchlassspannung des FWD-Elements beschränkt, wenn das IGBT-Element während des Betriebs des FWD-Elements einschaltet. Auf diese Weise wird die Durchlassspannung des FWD-Elements deutlich verringert. Ferner wird die Durchlassspannung des IGBT-Elements verringert, da der erste Bereich nahe dem Kollektor angeordnet ist.
Alternativ kann die Gate-Elektrode mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden aufweisen, die in einem Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind. Der Teil der Basisschicht ist innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich und dem Kollektorbereich angeordnet, und die Gate-Elektrode weist ferner mehrere kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden auf, die in einem verbleibenden Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind. Die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden und die kathodenseitigen Gate-Elektroden weisen das gleiche elektrische Potential und den gleichen Aufbau auf, und ein Bereich, der mit den kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden umgeben ist, bildet den kathodenseitigen zweiten Bereich, der elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden ist.
Alternativ kann die Gate-Elektrode mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden aufweisen, die in einem Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind. Der Teil der Basisschicht ist innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich und dem Kollektorbereich angeordnet. Die Gate-Elektrode weist ferner mehrere kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden auf, die in einem verbleibenden Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind. Die kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden und die kathodenseitige Gate-Elektroden weisen das gleiche elektrische Potential und den gleichen Aufbau auf. Die Basisschicht wird ferner durch die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden in mehrere kathodenseitige zweite und dritte Bereiche unterteilt, die entlang der parallelen Richtung des Substrats abwechselnd angeordnet sind. Jeder dritte Bereich weist einen Dummy-Emitter-Bereich auf. Jeder Dummy-Emitter-Bereich ist in einem Oberflächenabschnitt des dritten Bereichs angeordnet, grenzt an die Dummy-Gate-Elektrode, weist den ersten Leitfähigkeitstyp auf und weist eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat auf. Der dritte Bereich weist ein schwebendes Potential auf.
Alternativ kann die Gate-Elektrode mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden aufweisen, die in einem Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind. Der Teil der Basisschicht ist innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich und dem Kollektorbereich angeordnet. Die Gate-Elektrode weist ferner mehrere kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden auf, die in einem verbleibenden Teil der Basisschicht oberhalb des Kathodenbereichs angeordnet sind. Die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden und die kathodenseitigen Gate-Elektroden weisen den gleichen Aufbau auf. Die Basisschicht ist ferner durch die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden in mehrere kathodenseitige zweite und dritte Bereiche unterteilt, die entlang der parallelen Richtung des Substrats abwechselnd angeordnet sind. Jeder dritte Bereich weist einen Dummy-Emitter-Bereich auf. Jeder Dummy-Emitter-Bereich ist in einem Oberflächenabschnitt des dritten Bereichs angeordnet, grenzt an die Dummy-Gate-Elektrode, weist den ersten Leitfähigkeitstyp auf und weist eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat auf, und die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden, der Dummy-Emitter- Bereich und die dritten Bereiche sind gemeinsam und elektrisch mit der Emitter-Elektrode verbunden.
Alternativ können jeder der ersten Bereiche und der kathodenseitige zweite Bereich einen Graben-Kontakt-Abschnitt zum Kontaktieren der Emitter-Elektrode aufweisen, und kann jeder Graben-Kontakt-Abschnitt einen auf der ersten Seite des Substrats angeordneten Graben und einen leitfähigen Film in dem Graben aufweisen.
Alternativ können jeder der ersten Bereiche und der kathodenseitige zweite Bereich eine erste Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen. Die erste Halbleiterschicht ist zwischen dem Substrat und einem der ersten Bereiche und dem kathodenseitigen zweiten Bereich angeordnet, und die erste Halbleiterschicht weist eine Störstellenkonzentration auf, die über der des Substrats und unter der des Emitter-Bereichs liegt.
Alternativ kann der kollektorseitige zweite Bereich mit dem schwebenden Potential die erste Halbleiterschicht aufweisen und ist die erste Halbleiterschicht zwischen dem Substrat und dem kollektorseitigen zweiten Bereich angeordnet.
Alternativ kann jeder erste Bereich einen Graben-Kontakt-Abschnitt zum Kontaktieren der Emitter-Elektrode aufweisen. Jeder Graben-Kontakt-Abschnitt weist einen auf der ersten Seite des Substrats angeordneten Graben und einen leitfähigen Film in dem Graben auf. Jeder erste Bereich weist eine zweite Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps auf. Die zweite Halbleiterschicht ist zwischen der ersten Halbleiterschicht und dem Graben-Kontakt-Abschnitt angeordnet, und die zweite Halbleiterschicht weist eine höhere Störstellenkonzentration als die Basisschicht auf.
Alternativ kann der mit der Emitter-Elektrode verbundene kathodenseitige zweite Bereich den Graben-Kontakt-Abschnitt zum Kontaktieren der Emitter-Elektrode aufweisen.
Alternativ können die mehreren ersten und zweiten Bereiche abwechselnd entlang der parallelen Richtung des Substrats angeordnet sein.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, sollte wahrgenommen werden, dass sie nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen und Konstruktionen beschränkt ist, sondern auf verschiedene Weise modifiziert werden kann. Ferner sollen zu den aufgezeigten bevorzugten Kombinationen und Konfigurationen weitere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einziges Element umfassen, als mit im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet verstanden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-317751 [0002]
- US 2005/0258493 [0002]
- JP 2007-229959 [0117]
- JP 2007-268328 [0117]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Proceedings of 2004 International Symposium an Power Semiconductor Devices & Ics” auf den Seiten 261 bis 264 [0006]

Claims

Halbleitervorrichtung mit: – einem Halbleitersubstrat (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten und einer zweiten Seite; – einem IGBT-Element (12, 15, 18) für einen Stromfluss in einer Dickenrichtung des Substrats (10), wobei das IGBT-Element (12, 15, 18) im Substrat (10) angeordnet ist, der IGBT einen Kollektorbereich (18) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und der Kollektorbereich (18) in einem Oberflächenabschnitt der zweiten Seite des Substrats (10) angeordnet ist; – einem FWD-Element (13, 14b, 19) mit einem Kathodenbereich (19) des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kathodenbereich (19) derart in einem anderen Oberflächenabschnitt der zweiten Seite des Substrats (10) angeordnet ist, dass der Kathodenbereich (19) entlang einer parallelen Richtung des Substrats (10) benachbart zum Kollektorbereich (18) angeordnet ist; – einer Basisschicht (11) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Seite des Substrats (10) angeordnet ist; – mehreren Graben-Gate-Strukturen (12), von denen jede einen Graben auf der ersten Seite des Substrats (10) und über einen Isolierfilm einen leitfähigen Film im Graben aufweist, wobei – die Basisschicht (11) durch die Graben-Gate-Strukturen (12) in mehrere erste und zweite Bereiche (13, 14) unterteilt wird, – die Graben-Gate-Strukturen (12) eine Gate-Elektrode (12) im IGBT-Element (12, 15, 18) aufweisen, – jeder erste Bereich (13) einen Emitterbereich (15) im IGBT-Element (12, 15, 18) aufweist, – jeder Emitterbereich (15) in einem Oberflächenabschnitt des ersten Bereichs (13) angeordnet ist, an die Gate-Elektrode (12) grenzt, den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat (10) aufweist, – jeder zweite Bereich (14) den Emitterbereich (15) nicht aufweist, – jeder erste Bereich (13) zusammen mit dem Emitterbereich (15) elektrisch mit einer Emitter-Elektrode (17) im IGBT-Element (12, 15, 18) verbunden ist, – die ersten Bereiche (13) einen kollektorseitigen ersten Bereich (13) und einen kathodenseitigen ersten Bereich (13) aufweisen, – der kollektorseitige erste Bereich (13) oberhalb des Kollektorbereichs (18) und der kathodenseitige erste Bereich (13) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet ist, – die zweiten Bereiche (14) einen kollektorseitigen zweiten Bereich (14a) und einen kathodenseitigen zweiten Bereich (14b) aufweisen, – der kollektorseitige zweite Bereich (14a) oberhalb des Kollektorbereichs (18) und der kathodenseitige zweite Bereich (14b) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet ist, – wenigstens ein Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs (14b) elektrisch mit der Emitter-Elektrode (17) verbunden ist, und – wenigstens ein Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs (14a) ein schwebendes Potential aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: – ein Messelement (33) für einen Stromfluss über das Messelement (33); und – eine Rückkopplungsschaltung (103), wobei – das Substrat (10) ferner einen Hauptbereich (30) und einen Messbereich (33, 34, 36) aufweist, – das IGBT-Element (12, 15, 18) und das FWD-Element (13, 14b, 19) in dem Hauptbereich (30) angeordnet sind, – der Messbereich (33, 34, 36) eine Fläche aufweist, die geringer als die des Hauptbereichs (30) ist, – der durch Messelement (33) fließende Strom proportional zum durch das FWD-Element (13, 14b, 19) fließenden Strom ist, – das Messelement (33) in dem Messbereich (33, 34, 36) angeordnet ist, – die Rückkopplungsschaltung (103) auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses des Messelement (33) bestimmt, ob sich das FWD-Element (13, 14b, 19) in einem Operationszustand oder in einem Nicht-Operationszustand befindet, – die Rückkopplungsschaltung (103) eine Eingabe eines Ansteuersignals an die Gate-Elektrode (12) blockiert, wenn sich das FWD-Element (13, 14b, 19) in dem Operationszustand befindet, und – die Rückkopplungsschaltung (103) die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode (12) durchlässt, wenn sich das FWD-Element (13, 14b, 19) in dem Nicht-Operationszustand befindet.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Messwiderstand (102) aufweist, der mit dem Messelement (33) verbunden ist, wobei – die Rückkopplungsschaltung (103) einen ersten Schwellenwert und einen zweiten Schwellenwert aufweist, die zur Bestimmung verwendet werden, ob über das FWD-Element (13, 14b, 19) Strom fließt, – der erste Schwellenwert einer Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Messwiderstands (102) entspricht, wenn sich das IGBT-Element (12, 15, 18) in einem Ein-Zustand befindet und durch das Substrat (10) fließender Strom ein vorbestimmter erster Strom ist, – der zweite Schwellenwert der Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Messwiderstands (102) entspricht, wenn sich das IGBT-Element (12, 15, 18) in einem Aus-Zustand befindet und der durch das Substrat (10) fließende Strom ein vorbestimmter zweiter Strom ist, – der zweite Strom größer als der erste Strom ist und der zweite Schwellenwert über dem ersten Schwellenwert liegt, – die Rückkopplungsschaltung (103) die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Messwiderstands (102) mit dem ersten oder dem zweiten Schwellenwert vergleicht, – die Rückkopplungsschaltung (103) die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode (12) durchlässt, bis die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Messwiderstands (102) unter den ersten Schwellenwert fällt, und – die Rückkopplungsschaltung (103) die Eingabe des Ansteuersignals an die Gate-Elektrode (12) blockiert, bis die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Messwiderstands (102) den zweiten Schwellenwert überschreitet.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – ein gesamter Teil des kathodenseitigen zweiten Bereichs (14b) elektrisch mit der Emitter-Elektrode (17) verbunden ist; und – ein gesamter Teil des kollektorseitigen zweiten Bereichs (14a) ein schwebendes Potential aufweist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – alle der Graben-Gate-Strukturen (12) die Gate-Elektrode (12) in dem IGBT-Element (12, 15, 18) bilden; – die Gate-Elektrode (12) mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden (12) aufweist, die in einem Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind; – der Teil der Basisschicht (11) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich (19) und dem Kollektorbereich (18) angeordnet ist; und – ein verbleibender Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) den kathodenseitigen zweiten Bereich (14b) bildet, der elektrisch mit der Emitter-Elektrode (17) verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gate-Elektrode (12) mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden (12) aufweist, die in einem Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind; – der Teil der Basisschicht (11) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich (19) und dem Kollektorbereich (18) angeordnet ist; – die Gate-Elektrode (12) ferner mehrere kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden (22) aufweist, die in einem verbleibenden Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind; – die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden (12) und die kathodenseitigen Gate-Elektroden (12) das gleiche elektrische Potential und den gleichen Aufbau aufweisen; und – ein Bereich, der mit den kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden (12) umgeben ist, den kathodenseitigen zweiten Bereich (14b) bildet, der elektrisch mit der Emitter-Elektrode (17) verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gate-Elektrode (12) mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden (12) aufweist, die in einem Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind; – der Teil der Basisschicht (11) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich (19) und dem Kollektorbereich (18) angeordnet ist; – die Gate-Elektrode (12) ferner mehrere kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden (22) aufweist, die in einem verbleibenden Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind; – die kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden (22) und die kathodenseitige Gate-Elektroden (12) das gleiche elektrische Potential und den gleichen Aufbau aufweisen; – die Basisschicht (11) ferner durch die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden (22) in mehrere kathodenseitige zweite und dritte Bereiche (14, 24) unterteilt wird, die entlang der parallelen Richtung des Substrats (10) abwechselnd angeordnet sind, – jeder dritte Bereich (24) einen Dummy-Emitter-Bereich (15) aufweist; – jeder Dummy-Emitter-Bereich (15) in einem Oberflächenabschnitt des dritten Bereichs (24) angeordnet ist, an die Dummy-Gate-Elektrode (22) grenzt, den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat (10) aufweist; und – der dritte Bereich (24) ein schwebendes Potential aufweist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gate-Elektrode (12) mehrere kathodenseitige Gate-Elektroden (12) aufweist, die in einem Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind; – der Teil der Basisschicht (11) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenbereich (19) und dem Kollektorbereich (18) angeordnet ist; – die Gate-Elektrode (12) ferner mehrere kathodenseitige Dummy-Gate-Elektroden (22) aufweist, die in einem verbleibenden Teil der Basisschicht (11) oberhalb des Kathodenbereichs (19) angeordnet sind; – die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden (22) und die kathodenseitigen Gate-Elektroden (12) den gleichen Aufbau aufweisen; – die Basisschicht (11) ferner durch die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden (22) in mehrere kathodenseitige zweite und dritte Bereiche (14, 24) unterteilt wird, die entlang der parallelen Richtung des Substrats (10) abwechselnd angeordnet sind; – jeder dritte Bereich (24) einen Dummy-Emitter-Bereich (23) aufweist; – jeder Dummy-Emitter-Bereich (23) in einem Oberflächenabschnitt des dritten Bereichs (24) angeordnet ist, an die Dummy-Gate-Elektrode (22) grenzt, den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und eine höhere Störstellenkonzentration als das Substrat (10) aufweist; und – die kathodenseitigen Dummy-Gate-Elektroden (22), der Dummy-Emitter-Bereich (23) und die dritten Bereiche (24) gemeinsam und elektrisch mit der Emitter-Elektrode (17) verbunden sind.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder der ersten Bereiche (13) und der kathodenseitige zweite Bereich (14b) einen Graben-Kontakt-Abschnitt (25) zum Kontaktieren der Emitter-Elektrode (17) aufweisen; und – jeder Graben-Kontakt-Abschnitt (25) einen auf der ersten Seite des Substrats (10) angeordneten Graben und einen leitfähigen Film in dem Graben aufweist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder der ersten Bereiche (13) und der kathodenseitige zweite Bereich (14b) eine erste Halbleiterschicht (26) des ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen; – die erste Halbleiterschicht (26) zwischen dem Substrat (10) und einem der ersten Bereiche (13) und dem kathodenseitigen zweiten Bereich (14b) angeordnet ist; und – die erste Halbleiterschicht (26) eine Störstellenkonzentration aufweist, die über der des Substrats (10) und unter der des Emitter-Bereichs (15) liegt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – der kollektorseitige zweite Bereich (14a) mit dem schwebenden Potential die erste Halbleiterschicht (26) aufweist; und – die erste Halbleiterschicht (26) zwischen dem Substrat (10) und dem kollektorseitigen zweiten Bereich (14a) angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder erste Bereich (13) einen Graben-Kontakt-Abschnitt (25) zum Kontaktieren der Emitter-Elektrode (17) aufweist; – jeder Graben-Kontakt-Abschnitt (25) einen auf der ersten Seite des Substrats (10) angeordneten Graben und einen leitfähigen Film in dem Graben aufweist; – jeder erste Bereich (13) eine zweite Halbleiterschicht (27) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist; – die zweite Halbleiterschicht (27) zwischen der ersten Halbleiterschicht (26) und dem Graben-Kontakt-Abschnitt (25) angeordnet ist; und – die zweite Halbleiterschicht (27) eine höhere Störstellenkonzentration als die Basisschicht (11) aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Emitter-Elektrode (17) verbundene kathodenseitige zweite Bereich (14b) den Graben-Kontakt-Abschnitt (25) zum Kontaktieren der Emitter-Elektrode (17) aufweist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren ersten und zweiten Bereiche (13, 14) abwechselnd entlang der parallelen Richtung des Substrats (10) angeordnet sind.